CHUYÊN ĐỀ ÔN THI HS GIỎI HÓA 12 AMIN AMINO AXIT VÀ PEPTIT

CHUYÊN ĐỀ: AMIN -AMINO AXIT VÀ PEPTITPhần I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong quá trình dạy lớp chuyên và tham gia bồi dưỡng đội tuyển HSG QG mônHóa học hàng năm, cùng với những mong muốn cung cấ

CHUYÊN ĐỀ: AMIN -AMINO AXIT VÀ PEPTIT

Phần I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong quá trình dạy lớp chuyên và tham gia bồi dưỡng đội tuyển HSG QG mônHóa học hàng năm, cùng với những mong muốn cung cấp một nguồn tài liệu cho họcsinh và các đồng nghiệp , tôi đã tổng hợp , sưu tầm nghiên cứu, áp dụng vào dạy học

và rút ra được một số kinh nghiệm trong giảng dạy phần hóa học hữu cơ, trong đó cóhợp chất chứa nito cụ thể là phần amin –aminoaxit - peptit

Hợp chất thiên nhiên có rất nhiều và phức tạp, nhưng trong khuôn khổ của chuyên

đề lần này cũng như thời lượng để biên soạn có hạn nên tôi chọn hợp chất thiên nhiên

là : “AMIN -AMINO AXIT VÀ PEPTIT” Đây là một chuyên đề khó về hợp chấtthiên nhiên quan trọng bậc nhất và trọng tâm của chương trình ôn thi TN và ôn thiHSG hàng năm Học sinh thường sợ và lúng túng khi giải các bài tập vê amino axit vàpeptit vì thiếu cơ sở để tìm ra phương án giải quyết vấn đề và vì các tài liệu viết đềukhông đầy đủ, không đáp ứng được yêu cầu đơn giản, chính xác và giải nhanh nhất

1

Phần II: NỘI DUNG

A.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ:

I Amin

1 Cấu tạo

− Phân loại: bậc của amin:

Ví dụ:

Vì thế amin có khả năng kết hợp proton (H+), thể hiện tính bazơ

Nếu R là gốc no mạch hở, có khuynh hướng đẩy electron, làm tăng điện tích âm ở

N, làm tăng khả năng kết hợp H+, nghĩa là làm tăng tính bazơ Amin bậc cao có tính

bazơ mạnh hơn amin bậc thấp.

Nếu R là nhân benzen, có khuynh hướng hút electron, ngược lại làm giảm tính bazơcủa amin (tính bazơ yếu hơn NH3)

b) Các amin thơm: là những chất lỏng hoặc chất tinh thể, có nhiệt độ sôi cao, mùi

đặc trưng, ít tan trong nước

3 Tính chất hoá học

a) Tính bazơ

− Các amin mạch hở tan được trong nước cho dd có tính bazơ.

− Anilin (C6H5 − NH2) và các amin thơm khác do tan ít trong nước, không làm

xanh giấy quỳ.

− Phản ứng với axit tạo thành muối.

b) Các điamin: Các điamin có thể tham gia phản ứng trùng ngưng với các điaxit tạo

thành polime (xem phần điaxit)

2

Là chất tinh thể, nhiệt độ sôi = 42oC.

Được dùng để chế nhựa tổng hợp poliamit, sợi tổng hợp

d) Anilin C6H5 − NH2:

Là chất lỏng như dầu, nhiệt độ sôi = 184,4oC Độc, có mùi đặc trưng ít tan trongnước nhưng tan tốt trong axit do tạo thành muối Để trong không khí bị oxi hoá có màu vàng rồi màu nâu Dùng để sản xuất thuốc nhuộm

e) Toluđin CH3 − C6H4 − NH2

Dạng ortho và meta là chất lỏng Dạng para là chất kết tinh

Điều chế bằng cách khử nitrotoluen

II AMINO AXIT

I.1 Định nghĩa – Danh pháp:

1.1 Định nghĩa: Amino axit là hợp chất hữu cơ tạp chức trong phân tử chứa đồng

thời nhóm amino (-NH2) và cacboxyl (-COOH)

Axit + STT nhóm amino- amino+ tên thay thế của axit cacboxylic tương ứng.

Thí dụ:

CH3CH(NH2)COOH HOOCCH2CH(NH2)COOH

Axit 2-aminopropanoic Axit 2- aminobutanđioic

Bảng 1 Các amino axit thiên nhiên

Tên Kí hiệu Công thức Monoaminomonocacboxylic

-Alanin Ala H3N+CH(CH3)COO

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

-d) Tên gốc:

- Khi ngắt bỏ -OH ra khỏi nhóm- COOH ta được nhóm axyl

Thí dụ : H2NCH2COOH glixin H2NCH2CO- glixyl

CH3CH(NH2)COOH alanin CH3CH(NH2)CO- alanyl

- Gốc của các aminoaxit có nhóm amit –CONH2 : đổi “-in” thành “inyl”

Thí dụ : H2N-CO-CH2CH(NH2)COOH : Asparagin

H2N-CO-CH2CH(NH2)CO- : Asparaginyl

- Các monoaminođicacboxylic có 3 gốc tương ứng:

+ Tên của gốc hóa trị 1 có tiếp vĩ ngữ là yl

+ Tên của gốc hóa trị 1 có tiếp vĩ ngữ là oyl

Thí dụ : HOOC-CH2-CH(NH2)COOH : Aspatic

4

-2.1 Cấu tạo phân tử: NH2 - R - COOH

dạng phân tử dạng ion lưỡng cực

- Phân tử chứa nhóm –COOH: Có khả năng cho proton- thể hiện tính axit

- Phân tử chứa nhóm –NH2: có khả năng nhận proton: thể hiện tính

bazơ Như vậy, amino axit có tính chất lưỡng tính

- Tinh thể amino axit tồn tại dạng ion lưỡng cực +H3N – R – COO- nên tinh thể

có lực hút ion giống muối amoni nội phân tử

2.2 Tính chất vật lý:

- Amino axit là chất rắn kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy khá cao (khoảng từ

220 đến 300oC, đồng thời bị phân huỷ) và dễ tan trong nước vì chúng tồn tại ởdạng ion lưỡng cực (muối nội phân tử)

- Các amino axit có nguồn gốc thiên nhiên tồn tại chủ yếu dạng α-amino axit:

H2N- CH- COOH ⇄ +H3N –CH–

Rdạng phân tử dạng ion lưỡng cực

-di chuyển về catot di chuyển về anot

Bảng 2 Tính axit-bazơ của amino axit

Amino axit Mạch nhánh trung hòa

* Trong tất cả các amino axit pK a1 ứng với sự điện li của nhóm cacboxyl

và pK a2 ứng với sự điện li của nhóm amoni

** Trong tất cả các amino axit pK a1 ứng với sự điện li của nhóm cacboxyl trong RCH(+NH3)COOH

x > y : quỳ hồng

x < y : quỳ xanh

b Tác dụng với dung dịch kiềm:

Mol : H2N-CHa2-COOH + NaOH → Hb 2N-CH2-COONa + H0 2O 0

- Amino axit tác dụng với ancol khi có xúc tác axit vô cơ mạnh (HCl) đun nóngtạo thành este:

H2N-CH2-COOH + HOC2H5 ↔ H 2 N-CH 2 -COO C 2 H 5 + H 2 O

- Este thu được tác dụng với HCl tạo Cl H3N CH 2COOC2H5 cần xử lý với NH3

giải phóng aminoeste

6

Cl H3 N RCOOH + 2NaOH → Cl H3 N RCOONa + NaCl + H2O (2)

⇒ nNaOH p.ứ = b+a = nNaOH p.ứ với HCl + nNaOH p.ứ với a.a

b- Phản ứng với axit nitrơ: HNO2 + HCl ( NaNO2 + HCl )

H2N-R-COOH + HONO HCl →HO-R-COOH + N2↑+ H2O

Phản ứng dùng để định lượng amino axit

c- Phản ứng Aryl hóa bằng dẫn xuất 2,4-đinitro flobenzen.

- Khi đun nóng với chất hút nước ( P2O5) ở nhiệt độ thích hợp có phản ứng

tách nước tạo hợp chất peptit theo phương trình:

a1 Phản ứng tạo đipeptit:

H2N-CH(R1) C OH+ H NH CH(R2) COOH t

OH2N–CH(R1)–CO–NH–CH(R2)–COOH + H 2 O

Nếu phản ứng từ 2 amino axit khác nhau:

Thí dụ: Phản ứng tạo đipeptit từ hỗn hợp alanin và glyxin: tạo các sản phẩm có

thể gồm Ala-Ala; Gly-Gly; Ala-Gly; Gly-Ala

a2 Phản ứng tạo tripeptit:

- 3 phân tử amino axit tách nước tạo thành tripeptit:

H2N-CH(R1) C OH+ H NH CH(R2) C OH+ H NH–CH(R3) –COOH

Ala-Ala-Ala Ala-Ala-Gly Gly-Gly-Ala

Gly-Gly-Gly Ala-Gly-Ala Gly-Ala-Gly

Gly-Ala-Ala Ala-Gly-Gly

b- Phản ứng tạo poli-peptit ( phản ứng trùng ngưng):

- Khi đun nóng ( có xúc tác) ở t0 0 thích hợp có phản ứng tạo polipeptit:

nH2N- CH(R)-COOH t , p,xt → H-[NH-CH(R)-CO-] n OH + (n-1)H 2 O

8

I.4: Điều chế amino axit:

-Từ protein: + Thuỷ phân protein+H3O+ → α-amino axit: +H 3 N-CH(R)– COOH

+

NaOH, t0

H 2 N- CH- COONa R

- Các peptit được phân thành hai loại:

+ Oligopeptit gồm các peptit có từ 2 đến 10 gốc α- amino axit và được gọi tươngứng là đipeptit, tripeptit,…đecapeptit

+ Polipeptit gồm các peptit có từ 11 đến 50 gốc α- amino axit

H2N-CH CO [NH CH CO ] n -2NH

amino axit đầu N

- Đồng phân cấu tạo của peptit:

CH–COOH

Rn

amino axit đầu C

+ Nếu trong phân tử peptit có chứa n gốc α- amino axit khác nhau thì số đồng phânpeptit sẽ là n!

Thí dụ: từ 2 amino axit alanin và glyxin tạo nen được 2 đồng phân(2!=2) đipeptit là

Ala- Gly và Gly-Ala

+ Nếu trong phân tử peptit có chứa m- α- amino axit giống nhau thì số đồng phânpeptit sẽ là n!/m!

= 6

đồng phân là: Ala-Ala- Gly-Gly ; Ala-Gly-Ala-Gly ; Gly-Ala-Ala-Gly

Gly-Ala- Gly- Ala và Gly - Gly-Ala – Ala

+ Số peptit tối đa tạo nên từ m α- amino axit = mn

Thí dụ: từ 2 α- amino axit có thể tao nên 23=8 loại tripeptit là:

Ala-Ala-Ala Ala-Ala-Gly Ala-Gly-Ala Gly-Ala-Ala

Gly-Gly-Gly Gly-Gly-Ala Gly-Ala-Gly Ala-Gly-Gly

II.2.Tính chất hóa học.

2.1 Phản ứng thủy phân:

- Peptit có thể bị thủy phân hoàn toàn tạo thành α- amino axit hoặc thủy phân khônghoàn toàn tạo đi-, tripeptit…

- Chất xúc tác cho phản ứng thủy phân có thể là axit hoặc bazơ, do đó các hợp chất

có liên kết peptit kém bền trong môi trường axit hoặc bazơ

Thí dụ: + Enzim cacboxipeptiđaza: xúc tác cho thủy phân liên kết peptit của amino

axit đầu C → peptit X + amino axit đầu C

+ Enzim aminopeptiđaza: xúc tác cho thủy phân liên kết peptit của amino axit đầu N → peptit Y + amino axit đầu N

2.3 Phản ứng màu biure.

- Các phân tử tripeptit trở đi (có từ hai liên kết peptit trở lên) tác dụng với CuSO4

trong kiềm cho phức có màu tím hoặc tím đỏ Phản ứng này được gọi là phản ứngmàu biure vì nó tương tự phản ứng của biure H2N-CO-NH-CO-NH2 với Cu(OH)2

- Các phân tử amino axit hoặc đipeptit (mạch hở) chỉ có một liên kết peptit không cóphản ứng này

II.3 Phân tích peptit:

Phân tích peptit để xác định trình tự amino axit trong phân tử peptit

3.1 Xác định amino axit đầu N

Cách 1: Cho peptit tác dụng với dẫn xuất 2,4-đinitroflobenzen sau đó đem sản phẩm

thủy phân sẽ thu được dẫn xuất của amino axit đầu N

Cách 2: Cho peptit thủy phân nhờ enzim amino peptiđaza sẽ thu được amino

axit đầu N và peptit có mạch ngắn hơn 1 đơn vị.

3.2 Xác định amino axit đầu C.

Cho peptit thủy phân nhờ enzim cacboxipeptiđaza sẽ thu được amino axit đầu C

và peptit có mạch ngắn hơn 1 đơn vị

3.3 Xác định số lượng và các amino axit trong phân tử peptit

Thủy phân hoàn toàn peptit sẽ xác định được số đơn vị amino axit và các amino axittrong phân tử peptit

3.4 Xác định amino axit trong mạch peptit.

- Thủy phân từng phần mạch peptit sẽ thu được các mạch peptit ngắn hơn để nhậnbiết

- Tổ hợp các mạch peptit lại ta xác định được cấu trúc của peptit

4.1 Bảo vệ nhóm –COOH.

- Nhóm cacboxyl được bảo vệ bằng cách chuyển thành metyl hoặc etyl hoặc benzyleste Nhóm este dễ thủy phân hơn nhóm amit nên được loại ra bằng phản ứng thủy phân trong dung dịch kiềm

- Nhóm benzyl oxi có thể được loại ra nhờ phản ứng hiđro phân

4.3 Ngưng tụ các amino axit đã được bảo vệ.

- Ngưng tụ các amino axit đã được bảo vệ ra được sản phẩm:

C6H5CH2- OCO(NH – CH- CO)n OCH2C5H5

B- MỘ SỐ BÀI TẬP MINH HỌA

Bài 1: Trình bày tính chất hoá học của aminoaxit.

Gợi ý: Tính chất của aminoaxit: yêu cầu nêu được tính chất của nhóm amin; tính chất

của nhóm cacboxyl; tính chất của gốc hiđrocacbon; tính chất chung của cả hai nhómnày

a-Phản ứng tạo este:

Aminoaxit tác dụng với CH3OH hay C2H5OH có xúc tác axit HCl sẽ xảy ra sự este hoá trực tiếp nhóm -COOH

R-CH-COOH + C 2 H 5 OH [R-CH-COOC 2 H 5 ]Cl- + H 2 O

NaOH12

R- CH-COOC2H5 + NaCl + H2ONH2

b Phản ứng với axit nitrơ:

Các hợp chất có nhóm NH2 tự do khi tác dụng với HNO2 đều giải phóng nitơ vàtạo ra rượu (phản ứng Slyke) Phản ứng này được dùng để xác định nhóm NH 2 tự dotrong các aminoaxit

R-CH- COOH + HONO R- CH- COOH + N2 + H2O

c- Phản ứng tạo dẫn xuất N-axyl:

Các halogenua axit tác dụng với aminoaxit cho ta dẫn xuất N-axyl

C6H5COCl + H2N-CH2 - COOH C6H5CONH-CH2 – COOH

d- Phản ứng N-ankyl hóa:

Cho ankylhalogen tác dụng với aminoaxit sẽ cho dẫn xuất N-ankyl Khi cho2,4-dinitroflobenzen tác dụng với aminoaxit sẽ thu được dẫn xuất N -aryl củaaminoaxit Phản ứng này được dùng để bảo vệ nhóm amino

C2H5I + H2N-CH2-COOH C2H5-HN-CH2-COOH

(NO2)2C6H3F + H2N-CH2-COOH (NO2)2C6H3-HN-CH2-COOH

Dưới tác dụng của men decacboxylaza hay một số men vi sinh với α-aminoaxit

sẽ loại được CO2 và tạo ra amin

Men

NH2

f- Phản ứng loại cả nhóm amino và nhóm CO 2 :

Dưới tác dụng của men oxi hoá các α-aminoaxit sẽ loại được nhóm NH2 để tạo

ra xetoaxit rồi tiếp tục phân huỷ thành andehit và CO2

Men

↑R- CH - COOH + H 2 O → R- CO - COOH + NH 3

NH2

RCHO + CO2↑

g- Phản ứng phân huỷ bởi nhiệt:

Khi đun nóng α-aminoaxit sẽ tạo ra

2,5- dixetopiperazin

t0

COR- CH-COOH + H2N- CH- R R-CH NH + H2O

COCác β-aminoaxit loại NH3 khi đun nóng cho axit cacboxylic chưa no

Bài 2: Axit nucleic là gì, thành phần chính của axit nucleic, viết cấu tạo một

mononucleotit để làm thí dụ minh hoạ

Gợi ý: Axit nucleic lµ polinucleotit, ® -îc t¹o ra tõ

nhiÒu mononucleotit liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕtphotphodieste

Thµnh phÇn chÝ nh cña axit nucleic bao gåm: c¸c baz¬

dÞ vßng nit¬ (nªu ra mét sè thÝ dô); -pentoz¬: riboz¬hoÆc ®ezoxiriboz¬ vµ axit photphoric

ThÝ dô

14

Bài 3 Tại sao cỏc peptit luụn luụn cú cấu trỳc xoắn?

Hóy gọi tờn và cho biết phương phỏp húa học để xỏc định chuỗi peptit sau:Ala- Met- Phe-Glu

Gợi ý: Sở dĩ mạch peptit có cấu trúc xoắn là vì đôi

electron tự do của nitơ tham gia vào hệ liên hợp với C= Ovì thế liên kết C-N không thể quay tự do trong khi tất cảcác liên kết đơn khác có thể quay tự do đ-ợc vì vậy tạo nên cấu trúc xoắn ở cấu trúc bậc I

- Gọi tên các axit amin đầu và giữa mạch bằng tên gốc (-yl) axit amin cuối cùng gọi tên của axit amin

- Để phân tích peptít phải xác định đ-ợc axit amin

“đầu N”bằng phản ứng với 3,4-đinitroflobenzen sau đó thủyphân hoàn toàn và sắc kí để nhận ra axit amin đầu Ala (viết đầy đủ phản ứng )

- Xác định aminoaxit “đuôi C” Glu bằng ph-ơng phápthủy phân bằng enzim cacboxipeptiddaza viết phản ứng

- Thủy phân hòan toàn để xác định định tính và địnhl-ợng tỉ lệ các axit amin (viết phản ứng thủy phân bằngHCl 6N)

- Thủy phân không hoàn toàn bằng các enzim hoặc bằngaxit sau đó lập luận logic để xây dựng cấu trúc bậc 1.

4- Nờu phương phỏp phõn biệt 3 amino axit

5- Viết sơ đồ tổng hợp CH3-CH-COOH xuất phỏt từ hợp chất hữu cơ thụng

NH2thường khụng chứa 14C và cỏc hợp chất vụ cơ cần thiết

- Điền pKa vào nhúm chức: pKa của nhúm –NH2 chớnh là pKa của +NH3 đó

được proton húa, do đú giỏ trị:

pKa2: pKa của +NH3

+NH3 ( pKa2) +NH3 NH2

16

TH2: Với aminoaxit có số nhóm -NH2 nhiều hơn số nhóm –COOH (aminoaxit bazơ)

- Dùng phản ứng tách NH3 đối với β-alanin và đóng vòng lactam đối với

H2N-CH 2)3-COOH bởi nhiệt, sau đó dùng dung dịch Br2 để nhận ra amino axit còn

lại 5- Tổng hợp alanin: Chọn sơ đồCH2=CH2 → CH3-CH2Cl → CH3-CH2MgCl 1-14CO2

a) Viết cân bằng điện li cho lysin và tính điểm đẳng điện của nó

b) Viết cân bằng điện li cho axit aspatic và tính điểm đẳng điện của nó

b) COOH (pKa1) COO- COO- COO

có tên gọi piroliđin

2) Sắp xếp các chất trên theo trình tự tăng dần pHI Biết các giá trị pHI của H

chúng là: 2,77 ; 3,22 ; 5,68 ; 5,97 ; 6,3 ; 9,74

3) Viết công thức cấu trúc của các amino axit tại điểm đẳng điện và tại pH=1; pH=13

Gợi ý giải:

1) Gọi tên IUPAC theo nguyên tắc chung

Tên của amino axit = axit số chỉ vị trí –amino/tên thay thế của axit/đuôi oic(hoặcđioic)

Thí dụ: HO-CH2-CH- Axit 2-amino-3-hiđroxipropanoic

Axit α -amino- β -hiđroxipropionicNH2

2) Thứ tự tăng dần pHI:D < E < B < A < F < C

Giải thích:Do

D: Có hai trung tâm axit, một trung tâm bazơ gần nhau

E: Tương tự D nhưng hai trung tâm axit xa nhau hơn

−

B: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ và có –OH hút e

A: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ bậc I.

F: Có một trung tâm axit, một trung tâm bazơ bậc II mạnh hơn bậc I

C: Có một trung tâm axit, hai trung tâm bazơ

3) Công thức cấu trúc của các amino axit:

- Tại điểm đẳng điện:

A : H3N+-CH2 –COO- D : HOOC-CH2-CH-COO

COOH

N+

H H

- Tại pH = 13 > pHI của A → F nên chúng tồn tại ở dạng anion

A : H2N-CH2 –COO- D : -OOC-CH2- CH-COO

-NH2

CH-E:

-OOC-(CH2)2- -

20

xuất phátCho biết mỗi vết đặc trưng cho chất nào? Giải thích?

Prolamin, vì Prolamin là protit có tính bazơ mạnh (pHI =12,0): Tại pH=7,0 < pHI =>prolamin + →H+ dạng cation (+) nên ion chạy về cực (-) => vết C đặc trưng choprolamin

Bài 8:

Thuỷ phân hoàn toàn 0,5 mol peptit (X) thu được 1 mol Phe ; 0,5 mol Ala; 0,5 molAsp và 0,5 mol Lys Cho (X) phản ứng hoàn toàn với 2,4-đinitroflobenzen, sau đó thuỷ phân sản phẩm thu được: Phe, Asp, Lys và dẫn xuất

Ar- NH- CH(CH3) -COOH

Mặt khác, thuỷ phân (X) nhờ enzim cacboxipeptiđaza thu được Asp và một

tetrapeptit (Y), tiếp tục thuỷ phân (Y) nhờ enzim cacboxipeptiđaza thu được Lys vàtripeptit (Z)

1) Viết công thức cấu tạo và gọi tên (X), (Y), (Z)

2) Sắp xếp các amino axit theo thứ tự giảm dần pHI.

3) Viết công thức cấu trúc dạng ion của các amino axit trên ở giá trị pH = 2 ; 12

Gợi ý giải:

Theo giả thiết:

+H O+ + Ala + Asp + Lys

(X) + H2O cacboxipeptiđaza Asp + (Y) nên amino axit đầu C là Asp

(Y) + H2O cacboxipeptiđazaen zim Lys + (Z) nên amino axit đầu C là Lys

Vậy trình tự của (X) là: Ala-Phe-Phe-Lys-Asp

2) Sắp xếp các amino axit theo thứ tự giảm dần pHI.