CHUYÊN ĐỀ ĐIỂM ĐẲNG ĐIỆN

Điểm đẳng điện của các amino axit trung hòa (số nhóm amino bằng số nhóm cacboxyl) ứng với giá trị 5,0 đến 6,3. Còn điểm đẳng điện của các amino axit có tính axit (số nhóm cacboxyl nhiều hơn số nhóm amino), ứng với giá trị 2,8 đến 3,2; còn của các amino axit có tính bazơ (số nhóm amino nhiều hơn số nhóm cacboxyl) só giá trị trong khoảng 7,6 đến 10,8.2Cách xác định Điểm đẳng điện: Điểm đẳng điện của các amino axit có thể tính theo biểu thức: pHI = pKa1 là hằng số phân li của nhóm (COOH). pKa2 là hằng số phân li của nhóm ( ).Thí dụ: Alanin có pKa1 của nhóm (−COOH) là 2,35 và pKa2 của nhóm (− ) là 9,79. Đối với các axit monoamino monocacboxylic, tính axit thường lớn hơn tính bazơ, nghĩa là khi hòa tan tinh thể amino axit đó vào dung dịch, lượng ion (II) lớn hơn lượng ion (I). Sự ion hóa nhóm NH2 trong (I) có thể biểu thị bằng sự cộng thêm axit, nghĩa là (I) + H+ = ion lưỡng cực, do đó điểm đẳng điện của các axit monoamino monocacboxylic đều nhỏ hơn 7.Đối với các axit điamino monocacboxylic hoặc monoamino đicacboxylic có ion lưỡng cực nằm giữa hai dạng cân bằng điện tích lẻ và điểm đẳng điện là trung bình cộng của hai pKa của hai cân bằng giữa hai dạng điện tích lẻ với ion lưỡng cực.Điểm đẳng điện có thể xác định trên đường cong chuẩn độ của amino axit với natri hiđroxit. Phương pháp này chỉ dùng cho những amino axit trung tính.Nếu biết được giá trị pKa của một amino axit nào đó, ta có thể tính được nồng độ phần trăm của các dạng proton hóa, dạng trung hòa và dạng đeproton hóa ở một giá trị pH xác định của amino axit đó theo phương trình Henderson – Hasselbalch

LÝ THUYẾT ĐIỂM ĐẲNG ĐIỆN

1/ Điểm đẳng điện

Ở một pH trung gian nào đó có sự ngang bằng giữa dạng anion và dạng cation, bấy giờ amino

axit tồn tại chủ yếu ở dạng lưỡng cực; pH đó được gọi là điểm đẳng điện kí hiệu là pHI hoặc pI

(chữ I xuất phát từ Isoelectric).

Dạng anion Ion lưỡng cực Dạng cation

pH thấp pHI pH cao

Điểm đẳng điện của các amino axit trung hòa (số nhóm amino bằng số nhóm cacboxyl) ứng với giá trị 5,0 đến 6,3 Còn điểm đẳng điện của các amino axit có tính axit (số nhóm cacboxyl nhiều hơn số nhóm amino), ứng với giá trị 2,8 đến 3,2; còn của các amino axit có tính bazơ (số nhóm amino nhiều hơn số nhóm cacboxyl) só giá trị trong khoảng 7,6 đến 10,8

pHI =

pKa1 là hằng số phân li của nhóm (−COOH)

pKa2 là hằng số phân li của nhóm (− +

3

NH )

Thí dụ: Alanin có pKa1 của nhóm (−COOH) là 2,35 và pKa2 của nhóm (−NH3+) là 9,79

-Đối với các axit monoamino monocacboxylic, tính axit thường lớn hơn tính bazơ, nghĩa là khi hòa tan tinh thể amino axit đó vào dung dịch, lượng ion (II) lớn hơn lượng ion (I) Sự ion hóa nhóm

NH2 trong (I) có thể biểu thị bằng sự cộng thêm axit, nghĩa là (I) + H+ = ion lưỡng cực, do đó điểm đẳng điện của các axit monoamino monocacboxylic đều nhỏ hơn 7

-Đối với các axit điamino monocacboxylic hoặc monoamino đicacboxylic có ion lưỡng cực nằm giữa hai dạng cân bằng điện tích lẻ và điểm đẳng điện là trung bình cộng của hai pKa của hai cân bằng giữa hai dạng điện tích lẻ với ion lưỡng cực

-Điểm đẳng điện có thể xác định trên đường cong chuẩn độ của amino axit với natri hiđroxit Phương pháp này chỉ dùng cho những amino axit trung tính

-Nếu biết được giá trị pKa của một amino axit nào đó, ta có thể tính được nồng độ phần trăm của các dạng proton hóa, dạng trung hòa và dạng đeproton hóa ở một giá trị pH xác định của amino axit đó theo phương trình Henderson – Hasselbalch

pKa = −lg = −lg [H3O+] – lg = pH − lg Phương trình Henderson – Hasselbalch:

pH = pKa + lg Điểm đẳng điện của các axit monoamino monocacboxylic có giá trị pHI< 7, của các axit điamino monocacboxylic pHI > 7, còn các axit monoamino đicacboxylic có pHI << 7

Thí dụ: pHI của glyxin = 6,07 ; pHI của alanin = 6,11

pHI của lysin = 9,74 ; pHI của arginin = 10,76

pHI của axit aspartic = 2,98 ; pHI của axit glutamic = 3,08

Dưới đây là bảng hằng số phân li và điểm đẳng điện của các amino axit :

Bảng: Hằng số phân li và điểm đẳng điện của các amino axit

pK *

a 1 pK *

a 2 pI

pK **

a 1 pK a 2 pK a 3 pI

* Trong tất cả các amino axit pKa1 ứng với sự điện li của nhóm cacboxyl và pKa2 ứng với sự điện li của nhóm amoni

** Trong tất cả các amino axit pKa1 ứng với sự điện li của nhóm cacboxyl trong RCH(+NH3)COOH

Sự kết tủa đẳng điện và phương pháp điện di

Sự kết tinh một amino axit từ dung dịch được thực hiện khi pH của dung dịch được điều chỉnh tới điểm đẳng điện của nó, sau đó tách kết tủa, lọc và thu lại

Quá trình này được gọi là sự kết tủa đẳng điện

Các amino axit có giá trị pH khác nhau, nên ở một pH xác định chúng sẽ dịch chuyển về phía anot hoặc catot với những vận tốc khác nhau, đó là sự điện di

VD: Dùng phương pháp điện di để tách hỗn hợp các amino axit gồm glyxin, lysin và axit aspartic, biết rằng pHI của glyxin là 5,97 ; của lysin là 9,74 và của axit aspartic là 2,98

Ở pH = 5,97 phân tử glyxin không dịch chuyển, axit aspartic dịch chuyển về phía anot và lysine dịch chuyển về phía catot

COO CHNH2

CH2 COO

COOH

CHNH3

(CH2)3

CH2NH3

OH H

COO CHNH3 (CH2)3

CH2NH3

OH H

BÀI TẬP ĐIỂM ĐẲNG ĐIỆN

Bài 1 Dưới tác dụng của điện trường, aminoaxit di chuyển về phía điện cực nào khi

pH < pI, (b) pH > pI và pH = pI ? Giải thích

Giải

pH < pI: cation A chiếm ưu thế, nên di chuyển về phía catot, (b) pH > pI : anion C chiếm ưu thế nên di chuyển về phía anot và (c) khi pH = pI điện tích cân bằng nên amino axit không chuyển dịch

Bài 2 Viết cân bằng điện ly của lysin (một bazơ) và tính điểm đẳng điện của nó

Xem giá tri pKa trong bảng

Giải

CHNH2 (CH2)3

CH2NH3

OH H

COO CHNH2 (CH2)3

CH2NH2

(+2) (+1) (0) (-1)

Điện tích tổng cộng của mỗi dạng được ghi trong ngoặc đơn ở trên, dạng có điện tích bằng không tồn tại giữa hai dạng có pKa tương ứng là 8,95 và 10,53 Như vậy pI = (8,95+10,53)/2 = 9,74

Bài 3 Viết cân bằng điện ly của axit aspatic và tính điểm đẳng điện của nó

Giải

COOH

CHNH3

CH2

COOH

OH

H

COO CHNH3

CH2 COOH

OH H

COO CHNH3

CH2 COO

OH H

(+1) (0) (-1) (-2)

Dạng có điện tích bằng không tồn tại giữa hai dạng có pKa tương ứng là 1,88 và 3,65

Như vậy pI = (1,88 + 3,65)/2 = 2,77

Bài 4.

a) Serin có điểm đẳng điện là pHI = 5,68, pKa1 = 2,21, pKa2 = 9,15 Hãy viết công thức cấu tạo dạnh chủ yếu của serin trong dung dịch có pH = 2,0; 6,0; 10,0

b) Tiến hành điện di hỗn hợp gồm 3 amino axit: Lysin (pHI =9,74) , axit aspactic (pHI = 2,77), và glyxin (pHI = 5,97) trong môi trường đệm có pH = 7,0

Hãy cho biết amino axit nào di chuyển về phía catot, amino axit nào di chuyển về phía anot? Giải thích kết quả thu được

c) Để tách riêng từng amino axit từ hỗn hợp 3 amino axit cho ở mục b thì cần tiến hành điện di ở pH bao nhiệu? giải thích vì sao?

Giải

+H3N – CH- COOH +H3N – CH- COO- H2N – CH- COO-

CH2OH CH2OH CH2OH

pH = 2,0; pH = 6,0 pH = 10,0

b) Lysin , axit aspactic di chuyển về cực dương (anot), glyxin di chuyển về cực âm (catot)

c) Ở pH = 5,97 là thích hợp nhất vì glyxin không di chuyển trong khi 2 amino axit còn lại di chuyển về 2 hướng ngược nhau

Bài 5.

Hãy chỉ rõ hướng dịch chuyển của từng amino axit trong hỗn hợp cho dưới đây khi tiến hành điện di;

a) Glyxin, phenylalanin và serin, pH = 6,0

b) Valin, axit glutamic và histidin, pH=7,0

c) Alanin, lysin và tritophan, pH=7,0

Biết rằng pHI của các amino axit là: Gly 6,0; Phe 5,5; ser 5,7; val 6,0; Glu 3,2; his 7,6; Ala 6,0; Lys 9,8; Try 5,9

Để tách riêng lẻ từng amino axit trong hỗn hợp trên thì cần tiến hành điện di ở pH tương ứng bao nhiêu?

Giải

a) Ở pH = 6,0

phenylalanin và serin dịch chuyển về phía anot(-) do pH > pI , còn glyxin không dịch chuyển do pH = pI b) Ở pH=7,0

histidin dịch chuyển về phía canot(+) do pH < pI , Valin và axit glutamic dịch chuyển về phía anot(-) do pH >

pI

c) Ở pH=7,0

lysin dịch chuyển về phía canot(+) do pH < pI , Alanin và tritophan dịch chuyển về phía anot(-) do pH > pI _ Để tách riêng lẻ từng amino axit trong hỗn hợp trên thì cần tiến hành điện di ở pH :

a) pH=5,7 b) pH=6,0 c) pH=6,0

Bài 6.

Aspactam là một loại đường không dinh dưỡng ( tên thương phẩm là Nutra-Sweet), có công thức cấu tạo vắn tắt là Asp-Phe-OCH3, có pHI =5,9 Hãy viết CTCT đầy đủ của aspactam trong dd có pH= 2,0; 6,0; 8,0

Giải

+H3N – CH- CONH – CH – COOCH3 +H3N – CH- CONH – CH – COOCH3

CH2COOH CH2C6H5 CH2COO- CH2C6H5

pH=2,0 pH=6,0

H2N – CH- CONH – CH – COOCH3

CH2COO- CH2C6H5

pH=8,0

Bài 7.

Hãy giải thích vì sao tritophan có điểm đẳng điện thấp hơn so với histidin mặc dù trong công thức CT cùa cà 2 amino axit này đều có dị vòng thơm 5 cạnh chứa nito Trong số 2 nguyên tử nito dị vòng của histidin, nguyên

tử nito nào có tính bazo cao hơn Giải thích

Tritophan Histidin

Giải

_Hệ dị vòng inđol của tritophan giống như pirole (cặp e của nito tham gia vào hệ 6 electron π liên hợp) nên N không có tính bazo, pHI của tritophan nằm ở vùng trung tính

_Nguyên tử nito không mang nối đôi trong cấu trúc dị vòng của histidin cũng giống như nito của pirole nên không

có tính bazo, nguyên tử nito còn lại có tính bazo vì còn đôi e (obitan lai hóa sp2) nằm trong mặt phẳng vòng thơm (như của nito trong CTCT piridin), vì vậy histidin có tính kiềm yếu và có giá trị pHI lớn hơn của trytophan

BÀI TẬP HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA

KỲ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA NĂM 2002:

Thuỷ phân một protein (protit) thu được một số aminoaxit có công thức và pKa như sau:

Ala CH3CH(NH2)COOH (2,34; 9,69);

Ser HOCH2CH(NH2)COOH (2,21; 9,15);

Asp HOOCCH2CH(NH2)COOH (1,88; 3,65;9,60);

Orn H2N[CH2]3CH(NH2)COOH (2,10; 8,90; 10,50);

Arg H2NC(=NH)NH[CH2]3CH(NH2)COOH (2,17; 9,04; 12,48);

Pro

NH

COOH (1,99; 10,60)

1 Viết tên IUPAC và công thức Fisơ ở pHI của Arg, Asp, Orn Trên mỗi công thức đó hãy ghi (trong ngoặc) giá trị

pKa bên cạnh nhóm chức thích hợp Biết nhóm -NHC(=NH)NH2 có tên là guanidino

2 Ala và Asp có trong thành phần cấu tạo của aspactam (một chất có độ ngọt cao hơn saccarozơ tới 160 lần) Thuỷ

phân hoàn toàn aspactam thu được Ala, Asp và CH3OH Cho aspactam tác dụng với 2,4-dinitroflobenzen rồi thuỷ phân thì được dẫn xuất 2,4-dinitrophenyl của Asp và một sản phẩm có công thức C4H9NO2 Viết công thức Fisơ và tên đầy đủ của aspactam, biết rằng nhóm α-COOH của Asp không còn tự do

3 Arg, Pro và Ser có trong thành phần cấu tạo của nonapeptit bradikinin Thuỷ phân bradikinin sinh ra

Pro-Pro-Gly ; Ser-Pro-Phe ; Pro-Pro-Gly-Phe-Ser ; Pro-Phe-Arg ; Arg-Pro-Pro ; Pro-Pro-Pro-Gly-Phe ; Phe-Ser-Pro

Dừng kí hiệu 3 chữ cái (Arg, Pro, Gly, ), cho biết trình tự các aminoaxit trong phân tử bradikinin

BÀI GIẢI:

1 Aminoaxit sinh ra từ protein đều có cấu hình L

COO-(2.17)

H2N H

[CH2]3- N

NH2

NH2

+ (9.04)

(12.48) Axit (S)-2-amino-5-guanidinopentanoic

2 Aspactam H2N-CH(CH2COOH)− CO− NH − CH(CH3)-COOCH3

C

CH2COOH

H2N H

COOCH3

CH3 H

COO-(2.17)

CH2COOH (9.60)

(1.88) (3.65)

COO-(2.10)

[CH2]3 (8.90)

Axit (S)-2,5-diamino pentanoic

NH3+(10.50)

Axit (S)-2-amino-butandioic

Metyl N-(L-α-aspactyl) L-alaninat

3 Bradikinin

Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

KỲ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA NĂM 2003)

TRF là tên viết tắt một homon điều khiển hoạt động của tuyến giáp Thủy phân hoàn toàn 1 mol TRF thu được

1 mol mỗi chất sau:

NH3 ;

N

H

COOH (Pro)

; HOOC-CH2-CH2-CH-COOH

NH2 (Glu)

; N

N H

CH2-CH-COOH

(His)

NH2

Trong hỗn hợp sản phẩm thủy phân không hoàn toàn TRF có dipeptit His-Pro Phổ khối lượng cho biết phân tử khối của TRF là 362 đvC Phân tử TRF không chứa vòng lớn hơn 5 cạnh.

1 Hãy xác định công thức cấu tạo và viết công thức Fisơ của TRF.

2 Đối với His người ta cho pKa1 = 1,8 ; pKa2 = 6,0 ; pKa3 = 9,2 Hãy viết các cân bằng điện ly và ghi cho mỗi cân bằng đó một giá trị pKa thích hợp Cho 3 biểu thức:

pHI = (pKa1+pKa2+pKa3) : 3 ; pHI = (pKa1+pKa2) : 2 ; pHI = (pKa2+pKa3) : 2 ;

biểu thức nào đúng với His, vì sao?

3 Hãy đề nghị sơ đồ phản ứng với đầy đủ điều kiện để tổng hợp axit (D, L) – glutamic từ hidrocacbon chứa không

quá 2 nguyên tử cacbon trong phân tử

BÀI GIẢI:

1 *Từ dữ kiện thủy phân suy ra 2 công thức Glu-His-Pro và His-Pro-Glu (đều có 1 nhóm

–CO – NH2)

* Từ M = 362 đvC suy ra có tạo ra amit vòng (loại H2O)

* Từ dữ kiện vòng ≤ 5 cạnh suy ra Glu là aminoaxit đầu N và tạo lactam 5 cạnh, còn Pro là aminoaxit đầu C và tạo nhóm – CO – NH2

Vậy cấu tạo của TRF:

O

CO-NH CH CO N CH CO-NH2

CH2 N

NH

Công thức Fisơ:

NH CO

CO

CO

CH2

NH2

H

H H

NH

N NH

2 Cân bằng điện ly của His:

COOH

H

H3N

CH2

N

H

NH

+

+

COO H

H3N

CH2

N H

NH

+

+

COO H

H3N

CH2

N NH

+

COO H

CH2

N NH

H2N

(hoặc viết 3 cân bằng riêng rẽ; không cần công thức Fisơ)

* pHI = (pKa2 + pKa3) : 2 là đúng,

vì phân tử His trung hòa điện (điện tích = 0) nằm giữa 2 cân bằng (2) và (3)

3 Tổng hợp axit (D,L)-glutamic

HC ≡ CH HCN→ NC – CH = CH2 02

CO, H

xt, t

→ NC – CH2– CH2– CH=O →HCN, NH 3

N

NH2

C CH2 CH2 CH C N 1) H2O, OH

2) H3O+

NH2

CH2 CH2 CH

(KỲ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA NĂM 2004 (Bảng A))

1 Các aminoaxit phản ứng với nhau tạo thành

polipeptit Hãy cho biết cấu trúc của các dipeptit tạo

thành từ leuxin (CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH và

histidin (hình bên)

N N

CH2 CH COOH

NH2

H Histidin

2 Gọi A, B là các α-aminoaxit ở môi trường axit, bazơ tương ứng với X là ion lưỡng cực

a) Xác định tỉ số nồng độ của A và B ở điểm đẳng điện

b) Vết alanin chuyển về cực nào khi pH < 5 và pH > 8?

c) Xác định hàm lượng tương đối của ion lưỡng cực X của alanin ở điểm đẳng điện, biết rằng hằng số axit của alanin: pK1 = 2,35 đối với cân bằng A X + H+

pK2 = 9,69 đối với cân bằng X B + H+

BÀI GIẢI:

1 Cấu trúc của các dipeptit :

( CH3)2CH - CH2 - CH(NH2) - CO - NH - CH - CH2

N H

H - Leu - His - OH

NH

N CH2 - CH(NH2) - CO - NH - CH

COOH

- CH2 - CH(CH3)2

H - His - Leu - OH

His-Leu

O

O H

H

N NH

CH2 N

CH3

N

H2C H

N

N H

CH2 CH CO NH CH

-COOH

NH2 His - His

Leu - Leu ( CH3)2CH - CH2 - CH - CO - NH - CH - CH2 - CH(CH3)2

2

a) Vết của aminoaxit ở điểm đẳng điện không dịch chuyển về phía catot cũng như anot nên

nồng độ các ion trái dấu phải bằng nhau :

[A] = [B] nên tỉ số bằng đơn vị; (1)

b) Lập biểu thức tính các hằng số axit

K1 = [ ][ ]

[ ]A

H

X +

; [H+] = [ ]

[ ]X

A

K1

(2) K2 = [ ][ ]

[ ]X

H

B +

; [H+] = [ ]

[ ]B

X

K2

(3)

[H+]2 = [ ][ ]

[ ][ ]X B

X A K

K1 2

từ (1) , (2) , (3) có [H+] = (K1K2)1/2

pHI =

2

2

1 pK

pK +

; Đối với alanin: pHI =

2

69 , 9 35 ,

= 6,02

Vì điểm đẳng điện của alanin là 6,02 nên vết di chuyển về phía cực âm khi pH < 5, và

theo hướng cực dương khi pH > 8

c) Từ (2): [ ]

10 K

K A

X

69 , 9

35 , 2 2

Như vậy nồng độ tương đối của [X] là:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

9996 , 0 1 2

+

= +

+

X

A X

B A

X

~ 1

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1999-Thái Lan

a) Xystin (C6H12N2O4S2) là một axit diamino – dicacboxylic, là sản phẩm nhị hợp của L – xystein Sản phẩm nhị hợp này có thể được tách đôi khi xử lý với một thiol như mercaptoetanol (HOCH2CH2SH) để cho L – xystein (C3H7NO2S)

(i) Viết công thức cấu tạo của xystin với cấu hình tuyệt đối

(ii) Vai trò của mercaptoetanol trong phản ứng này là gì?

1 mol xystin có thể được tách đôi nhờ xử lý với axit pefomic HCOO2H tạo thành 2 mol axit xysteic

C3H7NO5S là một axit mạnh

(iii) Viết cấu tạo của axit xysteic tại điểm đẳng điện

(iii) Khi một peptit gồm 2 mạch A và B liên kết nhờ một liên kết đơn disunfua giữa hai gốc xystein trong

mỗi mạch được xử lý với axit pefomic thu được hai peptit mới A’ và B’ tại pH 7,0 với điện tích tổng cộng theo thứ tự bằng +5 và -3 Hãy tính điện tích tổng cộng của peptit ban đầu tại cùng pH

[A]

[B] = 1

b) Khi peptit C (M = 465) được thuỷ phân hoàn toàn bằng dung dịch HCl trong nước thì trong dung dịch sau thủy phân thu được các lượng có số mol bằng nhau của glyxin (Gly), phenylalanin (Phe); axit aspactic (Asp), axit Glutamic (Glu) và một đương lượng amoniac (NH3)

Khi xử lý C với enzym cacboxipeptidaza thu được axit glutamic và một tripeptit Thuỷ phân một phần tripeptit trong axit cho một hỗn hợp sản phẩm, trong đó có hai chất được xác định là axit glyxilaspactic (Gly – Asp) và aspactilphanylalanin (Asp – Phe)

(i) Từ các thong tin trên hãy suy ra trật tự của toàn bộ peptit C

(ii) Điểm đẳng điện gần đúng của peptit C (pH < 7; pH ≈ 7; pH > 7) là bao nhiêu?

BÀI GIẢI:

a) (i)

- O2C

S S

CO2

-NH3

NH3

(ii) tác nhân khử

(iii) Công thức cấu tạo

HO2C

SO3

-NH3

(iv) +4

b) (i) Gly – Asp – Phe – Glu

(iii) pH < 7

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1999:

a) Tính bazơ của một số hợp chất chứa nitơ có cấu tạo tương quan được nêu như sau:

Piridin

N

N

Morpholin

N

Piperidin

So sánh và giải thích sự khác biệt trong tính bazơ của mỗi cặp sau:

(i) Piperiđin / piridin

(ii) Piridin / pirol

(iii) Anilin / xiclohexylamin

(iv) p – aminopiridin / piridin

(v) morpholin / piperidin