skkn môn hóa đề tài MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHỌN LỌC VỀ AMINO AXIT

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong chương trình Hóa Học ở bậc THPT có nhiều loại hợp chất mà khi học sinh tham gia lĩnh hội sẽ gặp nhiều khó khăn về cơ sở lí thuyết cũng như phương pháp giải các

A PHẦN MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong chương trình Hóa Học ở bậc THPT có nhiều loại hợp chất mà khi học sinh tham gia lĩnh hội sẽ gặp nhiều khó khăn về cơ sở lí thuyết cũng như phương pháp giải các bài toán Đặc biệt, khi nghiên cứu các hợp chất hữu cơ tạp chức như cacbohiđrat, amino axit, hiđroxi axit, …, đa số học sinh thường hiểu một cách máy móc, thụ động và giải quyết các bài tập theo một phương pháp cổ điển, rườm rà, mất nhiều thời gian Để giúp học sinh hiểu một cách đầy đủ hơn, chính xác hơn về amino axit cũng như giải các bài toán về amino axit nhanh gọn hơn, tôi xin trình bày một số kinh nghiệm mà bản thân tôi chọn lọc được qua nhiều năm bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia cũng như bồi dưỡng học sinh giỏi tỉnh và học sinh dự thi vào các trường Đại học

II MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA NGHIÊN CỨU

Chọn lọc các vấn đề về lí thuyết cơ bản , xây dựng các phương pháp giải các bài tập

cơ bản và nâng cao phần amino axit dùng trong dạy học lớp chuyên hoá và bồi dưỡng học sinh giỏi hoá học THPT

Nghiên cứu chương trình chuyên hoá học, nội dung và chương trình thi chọn học sinh giỏi quốc gia, chương trình thi học sinh giỏi tỉnh và chương trình thi Đại học trong những năm qua Xây dựng hệ thống bài tập tự luận và trắc nghiệm phần amino axit dùng trong bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp

Thực nghiệm sư phạm dùng đánh giá sự phù hợp của hệ thống lí thuyết và bài tập đã

đề xuất và tính khả thi, hiệu quả của các biện pháp sử dụng chúng trong dạy học

III GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Nếu xây dựng và chọn lọc được một hệ thống lí thuyết và bài tập phần amino axit để bồi dưỡng học sinh giỏi thì sẽ góp phần nâng cao chất lượng dạy học của giáo viên và nâng cao kết quả của đội tuyển thi học sinh giỏi hoá học các cấp

IV KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học lớp chuyên hoá trường THPT chuyên và bồi dưỡng học sinh giỏi phần hoá học lớp 12 THPT

Đối tượng nghiên cứu: Nội dung kiến thức và hệ thống bài tập hoá học hữu cơ phần amino axit

B.NỘI DUNG

I MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ AMINO AXIT

1 Định nghĩa, danh pháp, phân loại

Aminoaxit là những axit cacboxylic có chứa nhóm chức amin ở gốc hiđrocacbon Thí dụ:

Tên của aminoaxit xuất phát từ tên của axit cacboxylic tương ứng có thêm tiếp đầu ngữ amino hoặc điamino kèm theo số hoặc chữ Hi Lạp để chỉ vị trí của nhóm amino trong mạch Thí dụ: ba axit có công thức ở trên lần lượt là: axit -aminopropionic hoặc 2 –

aminopropanoic; axit -aminobutiric hoặc 3 – aminobutanoic; axit p-aminobenzoic Các thí

dụ khác: CH2(NH2)-(CH2)2CH(NH2)-COOH axit ,-điaminovaleric hoặc điaminopentanoic HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH axit -aminoglutaric (hoặc 2-aminopentanđioic)

2,5-Các aminoaxit thiên nhiên hầu hết là -aminoaxit Đối với các axit này người ta quen dùng các tên riêng không có hệ thống, chỉ có ý nghĩa lịch sử (x bảng XH-1) Đa số các tên đó có đuôi-in Khi ngắt bỏ nhóm –OH ra khỏi nhóm – COOH đổi đuôi –in thành –

yl Thí dụ:

CH3-CH(NH2)-COOH Alanin; CH3-CH(NH2)-CO-Alanyl

HO-CH2-CH(NH2)-COOH Serin; HO-CH2-CH(NH2)-CO-Seryl

Nếu aminoaxit có nhóm chức amit thì đổi –in ở axit thành inyl ở gốc axyl Thí dụ: HOOC-(CH2)2CH(NH2)-COOH Axit glutamic

HOOC-(CH2)2CH(NH2)-CO- -Glutamyl

- Tính chất axit-bazơ Điểm đẳng điện

Khảo sát các tính chất vật lý và tính chất axit-bazơ cho thấy aminoaxit có thể tồn tại ở dạng ion lưỡng cực tức là ion có một đầu dương và một đầu âm:

H3N(+) – CHR – COO(-)

Ở pH rất thấp (môi trường axit) không những nhóm – NH2 mà cả nhóm – COO(-)cũng bị proton hoá:

( ) ( ) ( ) ( )

Ở pH cao, nhóm amino được tự do, ta có bazơ hai chức (-NH2 và –COO(-)):

( ) ( )

Ion lưỡng cực Bazơ hai chức

Ở một pH trung gian nào đó, aminoaxit tồn tại ở dạng ion lưỡng cực, khi ấy trong một điện trường nó không chuyển dịch về một cực điện nào cả vì các điện tích trái dấu

đã cân bằng pH đó được gọi là điểm đẳng điện và kí hiệu bằng pH1 (I từ tiếng Anh

Isoelectric) Đương nhiên ở pH thấp, aminoaxit mang diện tích dương sẽ chuyển dịch về

cực âm, trái lại ở pH cao aminoaxit mang điện âm và chuyển về cực dương

Bảng 1 Các aminoaxit tự nhiên

Monoaminomonocacboxylic

Monoaminodicacboxylic và dẫn xuất Axit aspatic Asp HOOC-CH2-CH(+NH3)COO- 2,77

Asparagin Asp(NH2) H2NOC-CH2-CH(+NH3)COO- 5,4

Axit glutamic Glu HOOC-(CH2)2-CH(+NH3)COO- 3,22

Glutamin Glu(NH2) H2NOC-(CH2)2-CH(+NH3)COO- 5,7

Diaminomonocacboxylic Lysin* Lys H3N+-(CH2)4-CH(NH2)COO- 9,74

Hydroxylizin Hylys H3N

+-CH2-CHOH-CH2-CH2-CH(NH2)COO-

+

=C(NH2)-NH-(CH2)3

Aminoaxit chøa l­u huúnh

OOC-CH(+NH3)CH2S-SCH2CH(+NH3)COO- Methionin* Met CH3SCH2CH2CH(+NH3)COO- 5,74

-Aminoaxit th¬m

Phenylalanin* Phe PhCH2CH(+NH3)COO- 5,48

Tyrosin Tyr p-C6H4CH2CH(+NH3)COO- 5,66

Aminoaxit dÞ vßng

Histidin* His

N HN

H HO

H

CH2 CH + NH3COO -

5,89

Điểm đẳng điện của một số aminoaxit được trình bày ở bảng 1 Ta nhận thấy pH1của các axit monoamino – monocacboxylic có giá trị xấp xỉ 6 Có thể tính được pH1theo biểu thức:

Các axit điaminomonocacboxylic có pH1 khá lớn; trái lại các axit monoaminođicacboxylic có pH1 khá nhỏ

Nếu cho dòng điện chạy qua một dung dịch aminoaxit có pH thấp hơn pH1, aminoaxit đó sẽ di chuyển về cực âm Ngược lại nếu dung dịch có pH lớn hơn pH1, aminoaxit sẽ chuyển về cực dương (x hình XII-1)

Đó là nguyên tắc của phương pháp điện di aminoaxit

- Phản ứng của nhóm cacboxyl

a Este hoá: Aminoaxit tác dụng với ancol khi có axit vô cơ mạnh xúc tác tạo thành

NH2-CHR-COOH + HONO HO – CHR – COOH + N2 + H2O

Phản ứng này được dùng để định lượng aminoaxit (phương pháp Van Slai)

Trong cơ thể người và động vật, ezim có khả năng chuyển nhóm >CH-NH2 thành nhóm > C = O Thí dụ:

- Phản ứng có liên quan tới cả phân tử

a Phản ứng màu với ninhiđrin: Tất cả các -aminoaxit đều phản ứng với ninhiđrin

cho sản phẩm có màu tím xanh (riêng prolin cho màu vàng) Phản ứng này rất nhạy, nên được dùng trong phân tích định tính và định lượng  - aminoaxit

R-C NH

R – CH – C – COOH t

  R – CH = CH – COOH + NH3  

Butirolactam

3 Điều chế

Aminoaxit thiên nhiên là chất cơ sở xây dựng nên protit trong cơ thể động vật và thực vật, đồng thời cung cấp năng lượng cho cơ thể hoạt động Trong số hơn 20 aminoaxit thường gặp trong protein có một nhóm các “aminoaxit không thay thế” mà cơ thể người không thể tự tổng hợp được, phải đưa từ ngoài vào qua thức ăn Đối với người, nhóm đó gồm Val, Leu, Ile, Met, Thr, Ph, Try và Lys

Một số aminoaxit được dùng trong y học, như Met là thuốc bồi bổ gan, His chữa một số bệnh về dạ dày, Glu chữa bệnh về thần kinh

Muối natri của Glu được dùng làm gia vị cho thức ăn (“mì chính” hay “bột ngọt”) Một số aminoaxit được dùng làm nguyên liệu sản xuất tơ tổng hợp Thí dụ: axit  - aminocaproic H2N (CH2)5 COOH (sản xuất tơ capron), axit - aminoenantoic H2N(CH-

2)6 COOH (sản xuất tơ enan)

Axit o-aminobenzoic (hay là axit antranilic) được dùng trong sản xuất phẩm nhuộm; axit-p-aminobenzoic dùng để tổng hợp các thuốc gây tê như anestezin,

novocain, v.v

a Thuỷ phân protein: Phản ứng xảy ra khi có chất xúc tác axit hoặc bazơ hoặc

enzim, cho ta hỗn hợp nhiều  - aminoaxit, có thể tách riêng ra bằng các phương pháp như sắc kí, điện li, v.v

b Amin hoá axit halogen cacboxylic: Phương pháp này tương tự phương pháp điều

chế amin từ dẫn xuất halogen Thí dụ:

(điều chế từ C2H4 và CCl4)

II PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP AMINO AXIT

1 Các bài tập trong đề thi học sinh giỏi tỉnh và đề thi vào Đại học

a Phương pháp xác định trật tự các amino axit trong peptit

Ví dụ 1 Thủy phân hoàn toàn 1 mol pentapeptit X thu được 2 mol glyxin, 1 mol alanin,

1 mol valin, 1 mol phenyl alanin Thủy phân không hoàn toàn X thu được đipeptit Val – Phe và tripeptit Gly – Ala – Val, nhưng không thu được đipeptit Gly – Gly Xác định trật các amino axit trong X

Giải:

Dùng phương pháp đặt các peptit nhỏ theo trình tự phù hợp như sau

Gly – Ala – Val

Val – Phe

Gly

Từ đó ta xác định được trật tự các amino axit trong X là: Gly – Ala – Val – Phe – Gly

Ví dụ 2 Thủy phân hoàn toàn 1 mol pentapeptit A, thu được 3 mol glyxin, 1 mol alanin,

1 mol valin Thủy phân không hoàn toàn A thì trong hỗn hợp sản phẩm thấy có các đipeptit Ala – Gly; Gly – Ala và tripeptit Gly – Gly – Val Xác định amino axit đầu N

và amino axit đầu C

Giải:

Đặt các peptit vào vị trí thích hợp ta có

Gly – Ala

Ala – Gly

Gly – Gly – Val

Vậy ta có amino axit đầu N là Glyxin, amino axit đầu C là Valin

b Phương pháp sử dụng tăng giảm khối lượng

Ví dụ 1 Hỗn hợp X gồm alanin và axit glutamic Cho m gam X tác dụng hoàn toàn với

dung dịch NaOH dư, thu được dung dịch Y chứa (m + 30,8) gam muối khan Mặt khác, nếu cho m gam X tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl dư, thu được dung dịch Z chứa (m + 36,5) gam muối Tính m

Ví dụ 2: Cho 0,1 mol một amino axit X tác dụng vừa đủ với 0,1 mol NaOH hoặc 0,2

mol HCl Biết rằng khối lượng muối thu được khi X tác dụng với NaOH trong thí nghiệm trên là 14 gam Xác định công thức cấu tạo của X

Giải:

Theo giả thiết ta nhận thấy X có dạng (H2N)2RCOOH

Vì vậy khối lượng của X là 14 – 0,1.22 = 11,8 gam

Suy ra MX = 118, từ đó ta có R = 41

Vậy công thức cấu tạo của X là

H2N CH2CH(NH2)CH2COOH hoặc H2NCH2CH2CH(NH2)COOH

c Phương pháp phân tích, đánh giá trên cơ sở các phản ứng

Ví dụ 1: Cho 0,15 mol H2NC3H5(COOH)2 vào 175 ml dung dịch HCl 2M, thu được dung dịch X Cho NaOH dư vào dung dịch X, sau khi phản ứng hoàn toàn thì số mol NaOH đả phản ứng là bao nhiêu?

Vậy số mol NaOH phản ứng là: 0,15.2 + 0,175.2 = 0,65 mol

Ví dụ 2 Hỗn hợp A gồm hai amino axit no, mạch hở, đồng đẳng kế tiếp, có chứa một

nhóm amino và một nhóm chức axit trong phân tử Lấy 23,9 gam hỗn hợp A cho tác dụng với 100 ml dung dịch HCl 3,5M (có dư), thu được dung dịch D Để tác dụng hết với các chất trong dung dịch D cần dùng 650 ml dung dịch NaOH 1M Tìm công thức cấu tạo của các chất trong A

Giải:

Gọi công thức chung của hai amino axit là H2NCnH2nCOOH

Theo giả thiết ta có số mol của NaOH tác dụng với A là 0,65 – 0,35 = 0,3 mol

Từ đó ta có MA = 23,9 : 0,3 = 79,667

Vậy hai amino axit trong hỗn hợp A là H2NCH2COOH và H2NCH2CH2COOH

d Phương pháp sử dụng số nhóm peptit (CO – NH)

Ví dụ 1: Cho peptit X là Ala – Gly – Ala –Val – Gly – Val và peptit Y là Gly – Ala –

Gly – Glu Thủy phân hoàn toàn m gam hỗn hợp X và Y thu được 4 amino axit, trong

đó có 30 gam glyxin và 28,48 gam alanin Tính giá trị của m

Giải:

Gọi số mol của X và Y lần lượt là x và y, ta có số mol của Gly là 2x + 2y = 0,4

số mol của Ala là 2x + y = 0,32 Từ đó ta có x = 0,08; y = 0,16 mol Suy ra số mol của Val = 0,16 mol, của Glu = 0,16 mol

Phân tích cấu tạo của X và Y ta thấy số nhóm peptit của X là 5, của Y là 3, suy ra số phân tử H2O đả tách ra của X và Y tương ứng là 4 và 3 Vậy giá trị của m là

m = 30 + 28,48 + 117.0,16 + 147.0,16 – 5.18.0,08 – 3.18.0,16 = 84,88 gam

Ví dụ 2 Đun nóng m gam hỗn hợp gồm a mol tetrapeptit mạch hở X và 2a mol tripeptit

mạch hở Y với 600 ml dung dịch NaOH 1M (vừa đủ) Sau khi các phản ứng kết thúc, cô cạn dung dịch sau phản ứng, thu được 72,48 gam muối khan của các amino axit đều có một nhóm COOH và một nhóm NH2 trong phân tử Tính giá trị của m

Ví dụ 1: Hỗn hợp X gồm 2 amino axit no ( phân tử chỉ có nhóm chức COOH và NH2), trong đó tỉ lệ khối lượng của oxi và nitơ tương ứng là 80 : 21 Đế tác dụng vừa đủ với 3,83 gam X cần 30 ml dung dịch HCl 1M Mặt khác, đốt cháy hết 3,83 gam hỗn hợp X cần 3,192 lít O2 (đktc) Cho toàn bộ sản phẩm cháy (CO2, H2O, N2) vào nước vôi trong

dư, thu được m gam kết tủa Tính m

Giải:

Ta có sơ đồ: NH2 + HCl NH3Cl

Suy ra số mol N = số mol HCl = 0,03 mol, vậy khối lượng của N là 0,42 gam, từ đó ta

có khối lượng của oxi là 1,6 gam

Theo giả thiết thì mC + mH = 3,83 – 0,42 – 1,6 = 1,81

Theo bảo toàn khối lượng ta có: khối lượng CO2 + khối lượng H2O = 3,83 + 4,56 – 0,42

= 7.97

Gọi x và y lần lượt là số mol CO2 và H2O , ta có 44x + 18y = 7,99 và 12x + 2y = 1,81

Từ đó ta có x = 0,13 Vậy khối lượng kết tủa là 13 gam

Ví dụ 2 Đipeptit mạch hở X và tripeptit mạch hở Y đều được tạo nên từ một aminoaxit

(no, mạch hở, trong phân tử chứa một nhóm -NH2 và một nhóm -COOH) Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol Y, thu được tổng khối lượng CO2 và H2O bằng 54,9 gam Đốt cháy hoàn toàn 0,2 mol X, sản phẩm thu được cho lội từ từ qua nước vôi trong dư, tạo ra m gam kết tủa Tính giá trị của m

Mặt khác, khi đốt cháy X thì thu được số mol CO2 = (2n + 2) mol, từ đó ta có khi đốt cháy 0,2 mol X thì thu được số mol CO2 = 0,2(2.2 + 2) = 1,2 mol

Vậy khối lượng kết tủa là 120 gam

MỘT SỐ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM THAM KHẢO VỀ AMINO AXIT

1 Cho 0,01 mol amino axit A tác dụng vừa đủ với 80 mL dung dịch HCl 0,125M Cô

cạn dung dịch thu được 1,835 gam muối Khối lượng mol phân tử của A là?

2 Trong phân tử aminoaxit X có một nhóm amino và một nhóm cacboxyl Cho 15,0

gam X tác dụng vừa đủ với dung dịch NaOH, cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được 19,4 gam muối khan Công thức của X là

A H2NC3H6COOH B H2NCH2COOH

C H2NC2H4COOH D H2NC4H8COOH

3 Cho 0,02 mol amino axit X tác dụng vừa đủ với 200 ml dung dịch HCl 0,1M thu

được 3,67 gam muối khan Mặt khác 0,02 mol X tác dụng vừa đủ với 40 gam dung dịch NaOH 4% Công thức của X là

A H2NC3H5(COOH)2 B (H2N)2C3H5COOH

C H2NC2H3(COOH)2 D H2NC3H6COOH

4 Cho 0,2 mol α-amino axit X phản ứng vừa đủ với 100 mL dung dịch HCl 2M thu

được dung dịch A Cho dung dịch A phản ứng vừa đủ với dung dịch NaOH, sau phản ứng thu được dung dịch B Cô cạn dung dịch B thu được 33,9 gam muối khan X là?

5 Cho 1 mol amino axit X phản ứng với dung dịch HCl (dư), thu được m1 gam muối Y Cũng 1 mol amino axit X phản ứng với dung dịch NaOH (dư), thu được m2 gam muối

Z Biết m2 - m1 = 7,5 Công thức phân tử của X là

A C5H9O4N B C4H10O2N2 C C5H11O2N D C4H8O4N2

6 Hỗn hợp X gồm alanin và axit glutamic Cho m gam X tác dụng hoàn toàn với dung

dịch NaOH (dư), thu được dung dịch Y chứa (m+30,8) gam muối Mặt khác, nếu cho m gam X tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl, thu được dung dịch Z chứa (m+36,5) gam muối Giá trị của m là

A 112,2 B 165,6 C 123,8 D 171,0

7 Cho 0,15 mol H2NC3H5(COOH)2 (axit glutamic) vào 175 ml dung dịch HCl 2M, thu được dung dịch X Cho NaOH dư vào dung dịch X Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, số mol NaOH đã phản ứng là

A 0,50 B 0,65 C 0,55 D 0,70

8 X là một α-amino axit có công thức dạng tổng quát là H2N-R-COOH Cho 8,9 gam X tác dụng với 200 mL dung dịch HCl 1M, thu được dung dịch Y Để phản ứng hết với các chất trong dung dịch Y cần dùng 300 ml dung dịch NaOH 1M CTCT của X là?

A H2N - CH2 – COOH B H2N – CH2 – CH2 – COOH

C CH3 – CH(NH2) – COOH D CH3 – CH2 – CH(NH2) - COOH

9 Cho m gam alanin tác dụng hết với 300 ml dung dịch HCl 1M thu được dung dịch A

Dung dịch A tác dụng vừa đủ với 500 ml dung dịch NaOH 1M Giá trị của m là:

10 Đốt cháy hoàn toàn 8,9 gam một α-amino axit X có chứa 1 nhóm amino trong phân

tử Sau phản ứng người ta thu được 1,12 lít N2 (ở đktc) CTCT của X là?

A H2N – CH2 – COOH B H2N – CH2 – CH2 – COOH

C CH3 – CH(NH2) – COOH D CH3 – CH2 – CH(NH2) – COOH

11 Oxi hóa hoàn toàn 14,7 gam một amino axit X thu được 0,5 mol CO2; 8,1 gam H2O

và 1,12 lít N2 (ở đktc) Biết rằng khối lượng mol phân tử của X nhỏ hơn 180 đvC CTPT của X là:

A C5H9O4N B C4H10O2N2 C C5H11O2N D C4H8O4N2

12 Trung hòa 20 mL dung dịch chứa một amino axit A (chứa 1 nhóm amin trong phân

tử) bằng dung dịch HCl 0,2M thì cần vừa đủ 50 mL Nếu dùng dung dịch NaOH 0,8M