Azotowe związki organiczne

strona 1/13
Azotowe związki organiczne
Krystyna Bogdanowicz-Szwed
Procesy zachodzące w żywych organizmach są ściśle związane z chemią wielofunkcyjnych związków
organicznych zawierających w swoich cząsteczkach atomy azotu. Obejmuje ona kilka klas związków
organicznych, bez obecności których niemożliwe byłoby życie roślin i zwierząt. Należą do nich aminokwasy, peptydy, białka, kwasy nukleinowe oraz różnorodne alkaloidy wytwarzane przez rośliny.
Organiczne związki azotu odznaczają się uderzająco wielką różnorodnością budowy. Ilustruje to
przedstawiona poniżej tabela, która zawiera przykłady azotowych grup funkcyjnych, nie wyczerpując
jednak wszystkich możliwości strukturalnych, jakie stwarza zmienna wartościowość azotu i jego zdolność do tworzenia pojedynczych, podwójnych i potrójnych wiązań z atomami węgla.
grupa funkcyjna
rodzaj związku
przykład związku
—NO2
związki nitrowe
CH3—NO2
—NH2
aminy
CH3—NH2
—CO—NH2
amidy
CH3—CO—NH2
—
—NH
iminy
—NH
CH3—CH—
—
—N—OH
oksymy
—N-OH
CH3—CH—
—
—N—NH—C6H5
fenylohydrazony
CH3—CH—
—N—NH—C6H5
—CN
nitryle
CH3—CN
—N—
—C—
—O
izocyjaniany
—C—
—O
CH3—N—
—N—
—N—
związki azowe
—N—C6H5
C6H5—N—
heterocykliczne związki azotowe: pirol, pirydyna, pirymidyna
Tab. 1. Przykłady grup funkcyjnych i związków zawierających atomy azotu
W poniższym artykule przedstawię przede wszystkim te spośród organicznych połączeń azotowych,
które zasługują na szczególną uwagę ze względu na ich znaczenie w chemii organicznej oraz rozpowszechnienie w naturze. Należą do nich niewątpliwie: związki nitrowe, aminy oraz produkty ich kondensacji ze związkami karbonylowymi, aminokwasy, peptydy i białka, kwasy nukleinowe, alkaloidy
i barwniki.
strona 2/13
Systematyczne omawianie związków azotowych najlepiej rozpocząć od związków nitrowych lub aminowych, jednakże przedstawianie związków nitrowych na początku jest bardziej uzasadnione, ponieważ często stanowią one substraty w syntezie innych azotowych grup funkcyjnych.
Związki nitrowe
Obecność grupy nitrowej w łańcuchu alifatycznym lub w pierścieniu aromatycznym nadaje charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne tej klasie połączeń. Budowę grupy nitrowej można przedstawić w formie dwóch struktur rezonansowych:
R—N
O
R—N
O
O
O
R—N
O
O
W każdej ze struktur atom azotu ma pełny ładunek dodatni i połówkowy ładunek ujemny na atomach
tlenu. Powyższe struktury są w pełni zgodne z dużym momentem dipolowym związków nitrowych, który, w zależności od rodzaju grupy R, wynosi od 3,5–4,0 D. Polarny charakter grupy nitrowej powoduje
mniejszą lotność związków nitrowych w porównaniu z lotnością innych połączeń organicznych o zbliżonej masie cząsteczkowej.
Związki nitrowe są nietrwałe termodynamicznie. £atwo ulegają rozkładowi, wydzielając duże ilości
energii. Ta właściwość została wykorzystana w praktyce, gdyż niektóre z nich stosuje się jako substancje wybuchowe, np. 2,4,6-trinitrotoluen (trotyl) lub 2,4,6-trinitrofenol (kwas pikrynowy).
Związki nitrowe można otrzymać różnymi metodami. Najczęściej stosowane polegają na bezpośrednim działaniu na węglowodory kwasem azotowym(V).
RH + HONO2
R—NO2 + H2O
Metoda ta jest szczególnie użyteczna do nitrowania związków aromatycznych. Powszechnie przyjęty
mechanizm reakcji nitrowania związków aromatycznych mieszaniną kwasów azotowego(V) i siarkowego(VI) obejmuje przedstawione poniżej etapy reakcji:
1. HONO2 + 2H2SO4
2. C6H6 + NO2
+
+
3. C6H5
H
NO2
H3O+ + 2HSO4– + +NO2
+
C6 H5
+ HSO4–
H
NO2
C6H5NO2 + H2SO4
jon nitroniowy
powoli
szybko
strona 3/13
Aromatyczne związki nitrowe odznaczają się dużą toksycznością. Szczególnie niebezpieczny jest
nitrobenzen, pomimo tego jest produkowany w dużych ilościach i często stosowany jako odczynnik
w dalszych syntezach. Nitrowe pochodne toluenu nie są toksyczne. 2,4,6-trinitrowe pochodne toluenu,
zawierające grupy t-butylową lub izopropylową, posiadają przyjemny zapach piżma, dlatego znalazły
zastosowanie w przemyśle kosmetycznym.
O2N
CH3
NO2
NO2
CH3
O2N
CH(CH3)2
NO2
NO2
C(CH3)3
Związki nitrowe rzadko występują w przyrodzie. Dotychczas wykryto zaledwie kilka naturalnych związków nitrowych. Najprostszym z nich jest kwas 3-nitropropanowy występujący w niektórych roślinach
z rodzaju Aspergillus lub Penicillium, np. chloromycyna.
NO2—CH2CH2COOH
O2N
CH—CH—CH2OH
OH NH
CO—CHCl2
kwas 3-nitropropanowy
chloromycyna
Duże znaczenie związków nitrowych alifatycznych i aromatycznych polega głównie na tym, że są one
substratami w syntezie bardzo ważnej grupy związków, zwanej aminami, które otrzymuje się najłatwiej
przez ich redukcję.
Aminy
Aminy są pochodnymi amoniaku. Rozróżniamy aminy pierwszorzędowe R—NH2,
drugorzędowe R2NH, trzeciorzędowe R3N oraz czwartorzędowe sole amoniowe
R4N+X–. Struktura elektronowa atomu azotu w aminach jest taka, jak w amoniaku,
N
tj. odpowiada hybrydyzacji sp3. Modelem budowy przestrzennej amin jest piramiCH3
180°
da trygonalna, której wierzchołek zajmuje atom azotu, a płaszczyzna podstawy
CH3
CH3
jest wyznaczona przez trzy podstawniki połączone z atomem azotu. Gdyby wolną
parę elektronów uznać za czwarty podstawnik, to modelem budowy amin staje Budowa przestrzenna
się czworościan z atomem azotu w środku. W takim ujęciu czwarty wierzchołek
trimetyloaminy
czworościanu jest wyznaczony przez wolną parę elektronów.
strona 4/13
Piramidalna budowa powoduje, że w aminach zawierających trzy różne podstawniki atom azotu staje się chiralny i możliwe są dwie konfiguracje enancjomeryczne. Takich amin nie udało się jednak rozdzielić na dwa enancjomery, ponieważ konfiguracje są nietrwałe i łatwo ulegają inwersji. Energetyczna
bariera inwersji jest niska, gdyż wynosi zaledwie 25 kJ/mol, co oznacza, że w temperaturze pokojowej
zmiana konfiguracji następuje bardzo szybko – ok. 1010 razy na sekundę.
R1
R1
R2
N
R2
N
R3
R3
Inwersja konfiguracji aminowego atomu azotu
Pierwszym związkiem zawierającym chiralne atomy azotu, który udało się rozdzielić na dwa enancjomery, była tzw. zasada Trögera.
N–CH2
CH2
CH3
CH2–N
CH3
Zasada Trögera
Zastąpienie wolnej pary elektronów na atomie azotu czwartym podstawnikiem, jak ma to miejsce
w czwartorzędowych solach amoniowych, powoduje wzrost stabilności konfiguracyjnej atomu azotu do
tego stopnia, że sole amoniowe zawierające cztery różne podstawniki można bez trudu rozdzielić na
enancjomery.
Czynność optyczna wynikająca z obecności chiralnego atomu azotu jest
R1
rzadko spotykana i nie ma większego znaczenia w chemii organicznej. ZnaczR4 —N+—R2
X–
nie częściej mamy do czynienia z aminami optycznie czynnymi, których chiralR3
ność jest związana z innymi elementami budowy cząsteczki, najczęściej z chiralnym atomem węgla. Do najprostszych należy 1‑fenyloetyloamina, łatwa do
otrzymania w postaci optycznie czystych enancjomerów. Jest ona często stosowana do rozdzielania
innych związków optycznie czynnych, np. kwasów, z którymi tworzy diastereoizomeryczne sole.
Najważniejsze właściwości chemiczne amin pierwszorzędowych, drugorzędowych i trzeciorzędowych
są zdeterminowane przez reaktywność atomu azotu, który dzięki obecności wolnej pary elektronów
posiada właściwości zasadowe i nukleofilowe. Do
C6H5 C6H5
C6H5 C6H5
najważniejszych reakcji amin należy tworzenie soli
C—NH
C—NH
NH2—C
NH2—C
2
2
H H
z kwasami nieorganicznymi. Reakcje te polegają na
H H
odwracalnym przyłączeniu protonu do wolnej pary
CH3 CH3
CH3 CH3
elektronów atomu azotu.
S(-)-1-fenyloetyloamina
R(+)-1-fenyloetyloamina
strona 5/13
RNH2 + H
RNH3
kation alkiloamoniowy
R2NH + H
R2NH2
kation dialkiloamoniowy
R3N + H
R3NH
kation trialkiloamoniowy
Miarą zasadowości amin jest stała równowagi reakcji z wodą:
RNH2 + H2O
RNH+3 + OH–




 RNH3 

 OH 
Kb 

 RNH2 

Aminy alifatyczne są silniejszymi zasadami niż amoniak, w przeciwieństwie do amin aromatycznych, które są słabszymi zasadami. Zwiększona, w porównaniu z amoniakiem, zasadowość amin alifatycznych jest spowodowana dodatnim efektem indukcyjnym grup alkilowych, które odpychają elektrony
w kierunku atomu azotu. Słabe właściwości zasadowe amin aromatycznych wynikają ze sprzężenia
wolnej pary elektronowej atomu azotu z układem aromatycznym. Sprzężenie wolnej pary można zilustrować odpowiednimi strukturami rezonansowymi.
–
NH2
NH2
NH2
NH2
–
–
–
Amoniak oraz aminy są dobrymi odczynnikami nukleofilowymi, znacznie przewyższającymi swoją
reaktywnością wodę i alkohole. Charakter nukleofilowy amin najlepiej obrazują reakcje podstawienia
nukleofilowego, których przykładem jest reakcja alkilowania amin za pomocą chlorowcoalkanów.
CH3—CH2
CH3—CH2—NH2 + CH3—CH2—J
NH + HJ
CH3—CH2
Analogicznie zachodzi reakcja substytucji nukleofilowej jodku metylu za pomocą aniliny, prowadząca do N,N-dimetyloaniliny, która jest ważnym substratem w syntezie barwników azowych.
strona 6/13
CH3
NH2
N
CH3
+ 2CH3J
+ 2HJ
Nukleofilowość amin zależy od czynników sterycznych, to znaczy od wielkości podstawników związanych z atomem azotu. Duże podstawniki, np. rozgałęzione grupy alkilowe, osłaniają atom azotu do
tego stopnia, że uniemożliwiają zbliżenie się odczynników alkilujących. Duże podstawniki nie przeszkadzają natomiast przyłączeniu się protonu do atomu azotu, zatem tego rodzaju aminy zachowują się jak
silne zasady i często powodują zachodzenie reakcji eliminacji.
Produkty kondensacji amin ze związkami karbonylowymi
Nukleofilowe własności amin pierwszo- i drugorzędowych są wykorzystywane w syntezie oraz w analizie organicznej. W tej dziedzinie duże znaczenie mają reakcje amin ze związkami karbonylowymi,
takimi jak aldehydy, ketony i kwasy, prowadzące odpowiednio do aldimin, ketimin i amidów, które są
szeroko stosowane w syntezie organicznej.
H
R'
C
O
C
O
R
+ R'—NH2
R
+ R''—NH2
H+
H+
R
|
H — C —NH—R'
|
OH
R'
|
R — C —NH—R''
|
OH
R
H
R'
R
C N—R' + H2O
aldimin
C N—R'' + H2O
ketimin
Pierwszym etapem powyższych reakcji jest atak atomu azotu na karbonylowy atom węgla. Pośrednie
produkty przyłączenia, o strukturze a-hydroksyloamin, są nietrwałe i ulegają natychmiast dehydratacji,
tworząc związki zawierające wiązania podwójne C—N, nazywane wiązaniami azometinowymi.
Podobnie reagują z aldehydami i ketonami hydroksyloamina i fenylohydrazyna, tworząc odpowiednio oksymy i fenylohydrazony, które są często stosowane do identyfikacji związków karbonylowych.
strona 7/13
H
H
C
O
R
R
C + NH2—OH
O
C6H5NH—NH2
H+
R
|
H— C —NHOH
|
OH
R
H
R
|
H— C —NH—NHC6H5
|
OH
H+
C NOH + H2O
oksym
R
H
C N—NH—C6H5 + H2O
fenylohydrazon
Interesujące i bardzo użyteczne okazały się produkty kondensacji cukrów z nadmiarem fenylohydrazyny, zwane osazonami. Były one po raz pierwszy zsyntetyzowane przez E. Fischera i posłużyły mu
w analizie oraz w ustalaniu konfiguracji cukrów. Fischer stwierdził, że cukry różniące się konfiguracją
tylko przy atomach węgla C-1 i C-2 tworzą identyczne osazony. Tego rodzaju cukry nazywamy epimerycznymi. Przykładem takich cukrów są: D‑glukoza, D-fruktoza i D‑mannoza, które tworzą identyczne
osazony.
CHO
H
HO
H
H
OH
3C6H5NH—NH2
H
OH – C H —NH ; NH
6 5
2
3
OH
CH = N—C6H5
CH2OH
C = N—C6H5
CO
HO
H
H
CH2OH
D-glukoza
H
OH
OH
– C6H5—NH2; NH3
HO
H
H
H
OH
OH
CH2OH
CH2OH
osazon
D-fruktoza
3C6H5NH—NH2
– C6H5—NH2; NH3
CHO
HO
HO
H
H
3C6H5NH—NH2
H
H
OH
OH
CH2OH
D-mannoza
strona 8/13
Amidy
W reakcjach amin z kwasami karboksylowymi lub z estrami tworzą się amidy. Reakcja polega na nukleofilowym ataku wolnej pary elektronów atomu azotu na atom węgla grupy karbonylowej i prowadzi
do utworzenia produktu addycji, który eliminuje cząsteczkę wody lub alkoholu, tworząc amid.
R—COOH + R' NH2
OH
|
R—C—NH—R'
|
OH
B = zasada
B
O
R—C
amid
+ H2O
NH—R'
Amidy charakteryzują się dużą różnorodnością budowy, ale
O
O
wszystkie zawierają układ złożony z grupy karbonylowej połą- —C—NH—
—C—NH—
czonej z aminowym atomem azotu. W budowie grupy amidowej
dużą rolę odgrywa sprzężenie wolnej pary elektronów atomu azotu z elektronami p wiązania podwójnego grupy karbonylowej. Powoduje ono powstanie zdelokalizowanych orbitali obejmujących układ
trzech atomów. W wyniku tego sprzężenia wiązanie pomiędzy atomem węgla i azotu nabiera częściowo
charakter wiązania podwójnego, co powoduje płaską budowę grupy amidowej. Płaska budowa tej grupy została potwierdzona pomiarami rentgenowskimi, w których wyznaczono długości wiązań oraz kąty
pomiędzy nimi. Grupa amidowa jest bardzo często spotykanym elementem budowy
różnych związków naturalnych oraz syntetycznych o dużym znaczeniu. Najprostszym
amidem jest mocznik (H2N—CO—NH2), który jest końcowym produktem przemiany
O
C
N
substancji białkowych w organizmach zwierzęcych. Wiele syntetycznych amidów znalazło szerokie zastosowanie jako substraty w syntezie leków lub włókien syntetycznych. Oto kilka przykładów cyklicznych amidów, zwanych ogólnie laktamami.
N
H
O
butyrolaktam
butyrolaktam
N
H
O
walerianolaktam
walerianolaktam
N
H
O
kaprolaktam
kaprolaktam
Wśród amidów syntetycznych szczególnie interesujący jest kwas barbiturowy, który powstaje w reakcji mocznika i estru kwasu malonowego. Jego pochodne znalazły szerokie zastosowanie jako leki
uspakajające i nasenne, np. weronal i luminal.
strona 9/13
O
O
HN
HN
O
N
H
O
O
kwas
barbiturowy
kwas barbiturowy
N
H
C2H5
C2H5
O
O
C2H5
C6H5
HN
O
O
N
H
weronal
weronal
luminal
W ostatnim pięćdziesięcioleciu duże znaczenie zdobyły cykliczne czteroczłonowe amidy, zwane
b-laktamami. Są one elementem strukturalnym antybiotyków z grupy penicyliny i cefalosporyny.
NH
O
O
S
NH
N
OH
O
O
S
N
O
penicylina F
W połowie XX wieku niechlubną sławę zyskał dietyloamid
kwasu lizerginowego (LSD), który jest jedną z najsilniejszych
trucizn, a jednocześnie silnym środkiem halucynogennym.
Wiązania amidowe występują w peptydach i białkach zbudowanych z wielu cząsteczek różnych aminokwasów.
OH
O
penicylina G
CO N
HN
N
C2H5
C2H5
CH3
LSD – N,N-dietyloamid kwasu lizerginowego
Aminokwasy, peptydy i białka
Aminokwasem, w ścisłym znaczeniu tego słowa, jest każdy związek zawierający w cząsteczce grupę
aminową i grupę karboksylową, ale potocznie nazwa ta odnosi się do kwasów aminokarboksylowych,
które zawierają grupę NH2 w położeniu a - względem grupy COOH. Systematyczne nazwy nie są stosowane do aminokwasów białkowych. Aminokwasy występujące w białkach mają nazwy zwyczajowe oraz
skróty odpowiednich nazw, które są pomocne w zapisywaniu sekwencji aminokwasów występujących
w peptydach i białkach. Oto kilka przykładów:
strona 10/13
—
—
—
—
—
—
—
—
——
—
—
——
—
—
—
—
—
——
—
—
—
—
—
—
—
—
—
——
—
—
—
2
22
22
—
—
—
—
—
—
——
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
——
—
—
—
—
—
—
tryptofan Try
tryptofan Try
—
—
—
—
—
—
—
—
—
——
—
CH2—CH—COOH
CH2—CH—COOH
CH2—CH—COOH
tryptofan Try
tryptofan
Try
CH2—CH—COOH
CH2—CH—COOH
NH2
NH2
CH
—CH—COOH
tryptofan
CH2N—CH—COOH
2
CH2—CH—COOH
—CH—COOH
CH
tryptofan
Try TryNH2
2
NH2 2NH
tryptofan
Try
tryptofan
Try
tryptofanTry
Try
N
tryptofan
NH
N
NH22
NH
H NH2 2
N
H
HN
N
NH
NN
H
HH
—
—
— —
——
— —
—
——
—
—CH
—CH2—CH—COOH
N 2—CH—COOH
(CH2)4—CH—COOH
His
histydyna
His (CH2)4—CH—COOH
lizyna Lys lizyna Lys
—CH
—CH—COOH
—CH2—CH—COOH
N histydyna
2
N —CH —CH—COOH
(CH2)4—CH—COOH
(CH
)
—CH—COOH
NH
NH
histydyna
His
2
2
4
histydyna
His
lizyna Lys
(CH
)
—CH—COOH
2
2
N
N
—CH—CH—COOH
—CH—COOH
NH
NH
NH
NH
2
4
histydyna
His
lizyna
Lys
—CH
2
2
2
—CH2NH
—CH—COOH
—CH
(CH)2)—CH—COOH
—CH—COOH
NH2
N 2N NH
(CH
N
2—CH—COOH
4
histydyna
His
lizyna
Lys
(CH
)
—CH—COOH
(CH
)
—CH—COOH
N His
2
4
histydyna
lizyna
Lys
2
NH
4
histydynaHis
His
lizynaNH
Lys2
histydyna
lizyna
Lys
NH
2
NH NH
NH2 22 4NH
H 22
NH
histydyna
His
lizyna
Lys
NH
NH
N
NH
NH
NH
2
N
2
NH
NH
2
N
2
H
NH22
NH
NH
2NH
HN
H
H
H
H
H
—
——
—
N
NN
—
—
—
—
—
2
N
—
——
——
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
——
——
—
—
—
—
—
—
—
—
——
—
—
——
—
—
—
—
—
——
—
CH2—COOH
CH2—COOH
CH3—CH—COOH
CH3—CH—COOH
glicyna
Gly
glicyna Gly
alanina
Ala
alanina Ala
CH
—COOH
CH
—CH—COOH
alanina Ala
CH2—COOH
CHglicyna
—CH—COOH
2 glicyna Gly
3
3
Gly
CH
—COOH
CH
—CH—COOH
glicyna
Gly
alanina
NH
NH
NH
NH
22
3
glicyna Gly
alanina Ala Ala
2
2
2
CH—COOH
—COOH
CH—CH—COOH
—CH—COOH
CH
CH
3
CH
—COOH
CH
—CH—COOH
CH
—COOH
CH
—CH—COOH
glicyna
Gly
alanina
Alaalanina
22
3
NH
NH2Ala
3
glicyna Gly2glicyna
alanina Ala
glicynaGly
Gly
alanina
Ala
2
NH2 NH2 22
NH2 3NH
NH2
NH
NH
NH
2
NH22
NH
NH
2
2
22
CH2—CH—COOH
CHNH
—CH—COOH
CH
CH3—
2
seryna Ser seryna Ser
walina Val walina Val
3—
CH2—CH—COOH
CH—CH—COOH
CH—CH—COOH
CH
CH
—CH—COOH
—
walina
Val
CH
—
3
2
Ser
walina
Val
—
—
CH
—CH—COOH
3
CH
CH3—
CH
OH—CH—COOH
NH2 OH NH2
2
seryna seryna
Ser
walina Val CH—CH—COOH
3
3
CH—CH—COOH
CH
CH
CH
—CH—COOH
—
2
seryna
Ser
walina
Val
CH3—
CH
—CH—COOH
CH
—CH—COOH
walina
Val
seryna
Ser
—
3— CH—CH—COOH
2
seryna
Ser
walina
Val
CH
CH
OHseryna
NHSer
NH
NH2
—2
—
2
seryna
Ser
walinaVal
Val
CHCH
OH 2NH
3 walina
2
CH—CH—COOH
3 33
2
CH3——
OH NH
CH—CH—COOH
CH—CH—COOH
CH—CH—COOH
2
NH2
NH
CH3—
OH
NH
—
—
CH
OH
NH
2
2OH
CH
NH22
NH
CH
NH
3
2 OH
33 2
NH
NH
NH22
NH
2 2 —CH—COOH
CH2—CH—COOH
CH
(CH
)
—CH—COOH
(CH
)
—CH—COOH
2
2 2
2 2
kwas asparginowy
asparginowy
Asp
cysteina
Cyscysteina Cys
CH
—CH—COOH
(CH2)kwas
—CH—COOH
CH2—CH—COOH
(CH
) —CH—COOH
2
2
2 2
cysteina
Cys
CH
—CH—COOH
(CH
)
—CH—COOH
kwas
asparginowy
cysteina
Cys
SH
NH
SH
NH
COOH
NH
COOH
NH
2
2
kwas asparginowy Asp Asp
cysteina Cys
2
2
2
2
CH—CH—COOH
—CH—COOH
(CH)2)2—CH—COOH
—CH—COOH
CH
(CH
2
CH
—CH—COOH
(CH
)
—CH—COOH
CH
—CH—COOH
(CH
)
—CH—COOH
kwas
asparginowy
Asp
cysteina
Cys
22
2
2
SH
NH
COOH
NH
2
2
2
kwas
asparginowy
kwas
asparginowy
Asp
cysteina Cyscysteina
SH 2NH2
2
2
kwasasparginowy
asparginowy
cysteina
Cys
kwas
AA
Cys
SH NH
COOHCOOH
NH2 2 2NH2
cysteina
Cys
2
Asp
SH
NH
COOH
NH
SH NH 2SH
COOH
NH
2
SH NH
NH
COOH NH
NH
COOH
H
H
Spośród około dwudziestu pięciu aminokwasów występujących w białkach, glicyna jest jedynym aminokwasem niezawierającym chiralnego atomu węgla. Wszystkie pozostałe aminokwasy są optycznie
czynne i należą do szeregu L, co oznacza, że mają taką samą konfigurację, jak aldehyd L-glicerynowy.
Jako wzorzec do ustalania konfiguracji aminokwasów, wybrano L-(-)-serynę.
CHO
HO
COOH
H
CH2OH
aldehyd
aldehyd
L-(-)
L-(-) glicerynowy
glicerynowy
H2N
H
R
aminokwas
aminokwas
szereguLL
szeregu
COOH
H
NH2
R
aminokwas
aminokwas
szereguDD
szeregu
COOH
H
H2N
CH2—OH
L-(-)-seryna
L-(-)seryna
Ser
Ser
strona 11/13
—
—
Aminokwasy są typowymi związkami amfoterycznymi.
R—CH—COO
R—CH—COOH
W stanie stałym istnieją wyłącznie w postaci soli wewnętrzNH3
NH2
nych, powstających w wyniku przeniesienia protonu od kwasowej grupy COOH do zasadowej grupy aminowej NH2. Są to tak zwane jony obojnacze.
W wodnych roztworach aminokwasów ustala się równowaga, w której biorą udział jony obojnacze
oraz kationy i aniony. Można oczekiwać, że wzajemny ich stosunek będzie zależał od pH roztworu.
Sprzężony kwas będzie postacią dominującą przy niskich wartościach pH, natomiast postaci sprzężonej zasady będą sprzyjały wysokie wartości pH. W przypadku aminokwasów zawierających tylko jedną
grupę kwasową i jedną grupę aminową występują tylko trzy formy jonowe.
kation
kation
pH << 55
pH
R—CH—COO–
NH3
+
–H+
+H+
R—CH—COO–
—
NH3
+
–H+
+H+
—
—
R—CH—COOH
NH2
anion
anion
pH
pH >> 88
jon
jon obojnaczy
obojnaczy
Własności kwasowo-zasadowe aminokwasu charakteryzuje tak zwany punkt izoelektryczny pI. Punkt
izoelektryczny jest to taka wartość pH roztworu, przy której stężenie jonu obojnaczego jest największe
i rozpuszczalność aminokwasu w wodzie jest najmniejsza. W punkcie izoelektrycznym stężenia anionowej i kationowej formy aminokwasu są minimalne i równe sobie. Dla większości aminokwasów punkt
izoelektryczny leży w zakresie pH 4.8–6.3. Na przykład dla glicyny, alaniny, leucyny i waliny punkt izoelektryczny ma wartość pH = 6. Jeżeli cząsteczka aminokwasu zawiera dodatkowo grupy kwasowe lub
zasadowe, wartość pI leży poza tym zakresem pH. Punkt izoelektryczny kwasu glutaminowego, który
zawiera dwie grupy karboksylowe, ma wartość 3.2, a dla lizyny ma wartość 9.7, co wynika z obecności
w cząsteczce dodatkowej grupy aminowej.
wiązania peptydowe
R
—
R
—
—
R
H2N—CH—CO—NH—CH—CO—NH—CH—COOH
tripeptyd
tripeptyd
Aminokwasy, jako związki dwufunkcyjne, mogą łączyć się ze sobą wiązaniami amidowymi, tworząc
produkty zawierające dowolną liczbę grup —CO—NH—. Tego typu związki nazywają się peptydami,
a produkty polimeryczne o dużej liczbie grup amidowych są nazywane polipeptydami.
strona 12/13
Podstawową informacją o budowie peptydów i białek jest sekwencja, czyli kolejność ułożenia aminokwasów w łańcuchu peptydowym. Powszechnie stosuje się skrócony zapis łańcucha peptydowego,
który polega na kolejnym wymienianiu aminokwasów w postaci skrótów.
Ser-Gly
Ser-Gly
—
CH2—OH
H2N—CH—CO—NH—CH—COOH
—
—
H2N—CH—CO—NH—CH2—COOH
CH3
CH2—OH
Ala-Ser
Ala-Ser
H
H
Zgodnie z umową grupę aminową zaO
H
H
pisuje się na lewym końcu i określa się
O
C
ją jako grupę N‑terminalną, podczas gdy
C
N
N
grupę karboksylową zapisuje się po praH
H
wej stronie i określa się ją jako grupę
H
H
H H
C-terminalną.
Z rentgenostrukturalnych badań aminokwasów i peptydów wynika, że grupa amidowa jest płaska,
atom węgla grupy karbonylowej oraz atom azotu i pozostałe atomy do nich przyłączone leżą w jednej
płaszczyŸnie. Ponadto mała odległość pomiędzy atomem azotu i karbonylowym atomem węgla wskazuje, że wiązanie azot-węgiel ma charakter wiązania podwójnego. Karbonylowy atom tlenu i atom wodoru, związany z azotem, leżą po przeciwnych stronach łańcucha peptydowego, czyli są w położeniu
trans.
Aminokwasy są cegiełkami z których zbudowane są białka. Strukturę białek możemy rozpatrywać
w wielu aspektach. Innymi połączeniami związanymi z chemią białek są tzw. nukleoproteiny. Występują one w każdej żywej komórce. Są to substancje zbudowane z białek połączonych z innymi naturalnymi polimerami – kwasami nukleinowymi, DNA i RNA. Cząsteczki kwasów nukleinowych zawierają
łańcuch, do którego przyłączone są różne grupy, których rodzaj oraz sekwencja są charakterystyczne
dla każdego rodzaju kwasu nukleinowego. Podczas gdy szkieletem cząsteczki białka jest łańcuch
poliamidowy, szkieletem cząsteczki kwasu nukleinowego jest łańcuch poliestrowy utworzony z kwasu
fosforowego(V) (część kwasowa) i cukrowca (część alkoholowa), który z kolei związany jest z jedną
z czterech zasad heterocyklicznych. Zasadami tymi są: adenina, guanina, cytozyna i tymina – cztery
azotowe układy heterocykliczne, pochodne puryny i pirymidyny.
Występowanie równoważnych ilości zasad purynowych i pirymidynowych w DNA wyjaśnili w 1953 r.
Watson i Crick. Wykazali oni, że dwa pasma kwasów nukleinowych są tak zbudowane, że gdy splatają
się z sobą przyjmują strukturę podwójnej spirali, wówczas tworzą się wiązania wodorowe pomiędzy
adeniną z jednego łańcucha i tyminą z drugiego łańcucha, oraz odpowiednio pomiędzy cytozyną i guaniną.
strona 13/13
Kwasy deoksyrybonukleinowe (DNA) i kwasy rybonukleinowe (RNA) odgrywają zasadniczą rolę
w procesie dziedziczenia. DNA dostarcza niezbędnych informacji do np. syntezy enzymów oraz swoich
własnych “kopii”, potrzebnych do reprodukcji w procesie podziału komórki.
Witaminy, alkaloidy i barwniki
Występujące w kwasach nukleinowych azotowe związki heterocykliczne pochodne pirymidyny i puryny występują w wielu związkach naturalnych i syntetycznych niezbędnych do normalnego funkcjonowania organizmów zwierzęcych i roślinnych. Azotowe związki heterocykliczne są elementem strukturalnym wielu witamin, enzymów, leków pochodzenia naturalnego i syntetycznego oraz środków ochrony
roślin. W tej grupie są witaminy PP, B6 zawierające heterocykliczny pierścień pirydyny.
Metylowe pochodne puryny występują w powszechnie stosowanych używkach, takich jak herbata,
kakao i kawa; są to teofilina, teobromina i kofeina.
Poza wyżej przedstawionymi przykładami, heterocykliczne związki z atomami azotu występują w wielu naturalnych barwnikach, np. w indygu i purpurze tyryjskiej.
Rozwijanie syntezy nowych organicznych związków azotowych, analogicznych do tych, jakie występują w naturze, jest ważne oraz interesujące zarówno ze względów ich praktycznego zastosowania
w różnych dziedzinach życia jak, również ze względów poznawczych.
Podziękowania dla Fundacji „Pro Chemia” przy Wydziale Chemii UJ za zgodę na przedruk artykułu
z czasopisma „Niedziałki” (źródło: „Niedziałki” 1/99(29), s. 1-9).