Химические способы получения аминокислот

Химические способы получения аминокислот

Большинство аминокислот можно получить в результате химических реакций или при гидролизе белков.

1. Из карбоновых кислот через их галогенопроизводные в радикале

Галогенирование карбоновых кислот

Взаимодействие α-галогенкарбоновых кислот с избытком аммиака (аммонолиз)

На второй стадии происходит замещение атома галогена в галогенкарбоновых кислотах на аминогруппу. Выделяющийся при этом хлороводород связывается избытком аммиака в хлорид аммония:

2. Гидролиз пептидов и белков

α-Аминокислоты образуются при гидролизе пептидов и белков.

При гидролизе белков обычно образуются сложные смеси α-аминокислот, однако с помощью специальных методов из этих смесей можно выделять отдельные чистые аминокислоты.

3. Восстановление нитрозамещенных карбоновых кислот (применяется обычно для получения ароматических аминокислот)

4. Микробиологический синтез

Этот способ основан на способности специальных микроорганизмов вырабатывать в питательной среде в процессе жизнедеятельности определенную α-аминокислоту.

Источник

Химические способы получения аминокислот

Для синтеза α-аминокислот используют несколько основных подходов. Первый основан на замещении атома водорода α-положения карбоновой кислоты на аминогруппу через стадию галогенпроизводного. Галогенкарбоновую кислоту обычно получают по методу Геля-Фольгарда-Зелинского, затем проводится аминирование действием аммиака, либо, по Габриэлю, через N-алкилфталимид.

Другой распространенный метод синтеза заключается в гидролизе нитрильной группы цианаминов, которые легко получаются присоединением цианида калия и аммиака к карбонильным соединениям (метод Штрекера). Эта реакция имеет общее значение, т.к. цианамины могут быть получены практически из любых альдегидов и кетонов, т.е. данный метод позволяет синтезировать аминокислоты с самыми разнообразными заместителями.

Третий способ получения α-аминокислот – восстановительное аминирование α-оксокислот. Действием аммиака или гидроксиламина на α-оксокислоты получают соответствующие имины или оксимы, которые восстанавливают водородом в присутствии палладиевого катализатора.

Синтез аминокислот на основе малонового эфира многостадиен и включает в себя стадии нитрозирования, восстановления нитрозомалонового эфира до аминомалонового эфира, алкилирования, гидролиза образовавшегося аминоалкилмалонового эфира и его декарбоксилирования. Тем не менее, этот способ активно применяют, особенно для синтеза полифукциональных аминокислот. Например, ниже приведен способ получения этим методом лизина.

Существуют методы синтеза α-аминокислот, исходя из простейшей аминокислоты – глицина:

Все основные способы получения β-аминокислот используют в качестве исходных α,β-непредельные карбоксильные соединения. Так, присоединение аммиака к α,β-непредельным кислотам протекает против правила Марковникова и дает β-аминокислоты. Реакция α,β-непредельных кислот с галогенводородами приводит к β-галогенкарбоновым кислотам, которые при обработке аммиаком или фталимидом калия образуют β-аминокислоты.

Сложные эфиры α,β-непредельных дикарбоновых кислот, получаемые из малонового эфира и карбонильных соединений, присоединяют аммиак, давая сложные эфиры β-аминодикарбоновых кислот. Их гидролиз и последующее декарбоксилирование приводит к β-аминокислотам (способ Родионова).

Общий метод получения ω-аминокислот – гидролиз соответствующих лактамов, получаемых из циклических оксимов кетонов перегруппировкой Бекмана. Так в промышленности из циклогексаноноксима синтезируют капролактам, гидролиз которого дает ε-аминокапроновую кислоту.

орто-, мета— и пара-Аминобензойные кислоты получают восстановлением нитрогруппы в соответствующих нитробензойных кислотах. Ниже приведена схема синтеза этих соединений исходя их толуола.

Другой способ получения антраниловой кислоты заключается в расщеплении по Гофману моноамида фталевой кислоты.

Источник

Характерные химические свойства азотсодержащих органических соединений. Важнейшие способы получения аминов и аминокислот

Содержание:

Азотсодержащие соединения – это молекулы, имеющие в строении атомы азота. С помощью инертного газа образуются различные классы органических соединений:

• амины (R-NH₂);
• аминокислоты (H₂N-R-COOH);
• нитрилы (R-CN);
• нитросоединения (R-NO₂);
• нитрозосоединения (R-NO) и т.д.

Амины

Амины – аммиачные производные, которые рассматриваются как замещенный продукт водородных атомов на органические радикалы (R).

У аминов так же как и в растворе аммиака проявляются слабые основные свойства. Классифицируются по числу катионов водорода, которые заместили, на:

Амины разделяют по характеру органических заместителей:

• предельные – молекулы без ароматических колец и кратных связей;
• непредельные – в молекулах присутствуют ароматические кольца и кратные связи.

В азоте амина находится внешняя электронная пара, за счет которой способен проявлять себя как основание. Но существуют ионы, являющиеся продуктами замещения на радикал всех водородных атомов – NH₄ + .

Когда аминогруппа в ароматических аминах связана с ароматическим ядром, то амины являются более слабыми снованиями по сравнению с аммиаком. Так как неподеленная электронная пара атома азота смещается в сторону ароматической π-системы бензольного кольца, таким образом электронная плотность на атоме азота снижается. Бензольное ядро, обладающее большей энергией ионизации, оттягивает на себя электронную плотность молекулы. В результате основные свойства снижаются в реакциях, например взаимодействия с водой. Так, анилин реагирует только с сильными кислотами, а с водой практически не реагирует.

Способы получения аминов

Амины сохраняют многие особенности аммиака – запах, растворимость в воде, сильные основные свойства.

1. Реакция Гофмана (алкилирование аммиака и его производных)
   • R-Hal + NH₃ → R-NH₂ + HHal
   • R-Hal + R ’ -NH₂ + NH₃ → R-NH-R ’ + NH₄Hal
   • R-Hal + R-NH-R → N-(R)₃ + NH₄Hal

2. Взаимодействие непредельных аминов со спиртами – способ получения вторичных аминов
   • С₆H₅-NH₂ + CH₃-OH → С₆H₅-NH-CH₃ + H₂O

3. Пропускание паров спирта и аммиака над катализатором оксида алюминия при температуре в 30°C
   • R-OH + NH₃ → R-NH₂ + H₂O

4. Расщепление амидов при взаимодействии с гипохлоридом калия
   • R-CONH₂ + KBrO → R-NH₂ + Cl₂ + KBr

5. Восстановление нитросоединений в присутствии катализатора в виде никеля, палладия – способ получения первичных аминов
   • R-NO₂ + H₂ → R-NH₂ + H₂O

Химические реакции аминов

Химические свойства определяются реакционными центрами (РЦ):

• первый РЦ, представляющий собой неподеленную пару электронов на азоте;
• второй РЦ, определяющийся полярностью связи N-H;
• третий РЦ – это бензольное кольцо.

У непредельных аминов роль первого РЦ незначительна, т.к. ароматическое кольцо смещает на себя плотность и неподеленная пара электронов азота в проявлении основных свойств не принимает участия.

I. Основные свойства

Атом азота в амине принимает участие в образовании ковалентной связи, выступая как донор, благодаря внешней паре электронов. Т.о. амины присоединяют катион водорода и проявлять свойства основания.

По сравнению с основностью аммиака, амин проявляет большие основные свойства. Это связано с тем, что индуктивный эффект направлен на аминогруппу и азот становится более активным, т.е. прочнее связывает протон.

Степень проявления основных свойств зависит от величины частичного отрицательного заряда на азоте. Чем он выше, тем сильнее основные свойства.

Предельные первичные амины реагируют с азотистой кислотой с образованием спиртов, азота N₂ и воды. Например:

• Признаком этой реакции — выделение азота.
• Реакция является качественной на первичные амины .
• Реакцию проводят поэтапно:

1. смешивают амин с раствором соли азотистой кислоты (нитрита)
2. добавляют к этой смеси сильную минеральную кислоту. При взаимодействии нитритов с сильными минеральными кислотами образуется азотистая кислота, которая потом реагирует с амином:
   • R – NH₂+ KNO₂ + HCl = R – OH + N₂ + KCl + H₂O

Вторичные амины дают при похожих условиях маслянистые жидкости с характерным запахом, поэтому и название N-нитрозаминами.

Третичные амины с азотистой кислотой не взаимодействуют.

Сгорание любых аминов приводит к образованию углекислого газа, воды и азота:

II. Слабые кислотные свойства

Первичным и вторичным аминам характерен разрыв связи N-H и замещение атома водорода на другие функциональные группы.

1. Взаимодействия с металлами
   • R-NH₂ + Na → R-NH-Na + H₂

2. Алкилирование (реакция Гофмана) под действием катализатора в виде аммиака
   • R-NH₂ + R’-Hal → R-NH-R’ + HHal

3. Ацилирование
   • CH₃-COCl + CH₃-NH₂ → CH₃-NH-CO-CH₃ + HHal

III. Качественная реакция на амины

Она осуществляется с помощью азотистой кислоты, которую необходимо получить непосредственно в момент реакции.

Амины широко применяют в фармакологической промышленности в препаратах с упрощенной адреналиновой структурой, а также в строительной отрасли в качестве компонента полимерных материалов.

Аминокислоты

Аминокислоты – это органические вещества, которые включают в себя аминогруппу (-NH₂) и карбоксигруппу (-COOH). Единая формула аминокислот – (NH₂)_xR(COOH)_y, где x и y принимают значения больше одного.

Аминокислоты – это элементарная структура белков, из которых состоят структуры животного тела. В состав белков входят только α-аминокислоты. На планете Земля 20 аминокислот, общая формула которых H₂N-CH(R)-COOH. Эта двадцатка содержит в себе радикалы – углеводородные, кислородсодержащие, серосодержащие, азотсодержащие и ароматические.

Способы получения аминокислот

Аминокислоты – это бесцветные кристаллы, плавящиеся при 200°C. Они способны растворяться в воде, но нерастворимы в эфирах.

1. Взаимодействие α-галогенпроизводных карбоновых кислот с аммиачным раствором (действие температур)
   • Cl-R-COOH + NH₃ → H₂N-R-COOH + HCl

2. Воздействие аммиака и цианистого водорода на альдегиды и кетоны
   • R-CHO + NH₃ → R-CH=NH + H₂O
   • R-CH=NH + HCN → R-CH(NH₂)-CN
   • R-CH(NH₂)-CN + 2H₂O → R-CH(NH₂)-COOH + NH₃

3. Взаимодействие белка с водой при добавлении кислоты
   • [-HN-CH(R)-C(O)-NH-CH(R’)-C(O)-]_n + HOH → H₂N-CH(R)-COOH + H₂N-CH(R’)-COOH

4. Добывание аминокислот клеточными организмами

Микроорганизмы при нарушении нормальной жизнедеятельности начинают синтезировать аминокислоту, вместо того, чтобы накапливать белок.

Химические свойства аминокислот

В составе аминокислот две функциональные группы, поэтому с одной группой веществ они ведут себя как амины, с другой как карбоновые кислоты, а с третьей – проявляют все свойства сразу.

I. Карбоксильная группа – ее химические реакции

Многие химические свойства, характерные для спиртов, встречаются и у аминокислот. Реакции задействуют только группу –COOH.

1. Кислотные свойства
2. Особые взаимодействия
   • H₂N-CH(R)-COOH + R’-OH → H₂N-CH(R)-COOR’ + H₂O2. Особые взаимодействия
   • H₂N-CH(R)-COOH + SOCl₂ → H₂N-CH(R)-COCl + SO₂ + HCl

3. Реакция с аммиаком
   • H₂N-CH(R)-COOH + NH₃ → H₂N-CH(R)-CONH₂ + H₂O

4. Элиминирование молекулы диоксида углерода (под действием температур)
   • H₂N-CH(R)-COOH → H₂N-CH₂-R + CO₂

II. Аминогруппа – ее химические реакции

Многие химические свойства, характерные для аминов, встречаются и у аминокислот. Реакции задействуют только группу ––NH₂.

1. Реакции с кислотами
   • H₂N-CH(R)-COOH + HCl → [H₃N + -CH(R)-COOH]Cl —

2. Введение ацила в аминокислоту
   • H₂N-CH(R)-COOH + CH₃-COCl → CH₃-C(O)-NH-CH(R)-COOH + HCl

3. Введение алкильного остатка в состав аминокислоты
   • H₂N-CH(R)-COOH + 2СH₃J → (CH₃)₂-N(R)-CH(R)-COOH + 2HJ

4. Отщепление аминогруппы от аминокислоты под действием температур
   • COOH-CH₂-CH(NH₂)-COOH → COOH-CH₂-CH₂-COOH + NH₃

III. Реакции по обеим группам

Ряд химических свойств связан с действием реактивов на все функциональные группы.

1. Синтез комплексных солей
   • 

2. Нагревание β-аминокислот
   • H₂N-CH₂-CH₂-COOH → CH₂=CH-COONH₄ + H₂O

3. Нагревание γ и δ-аминокислот
   • 

Аминокислоты – это звенья, из которых составляются нити белка. Из них строятся живые ткани на планете. Почти все аминокислоты организм использует для построения органики тела. Некоторые играют роль медиаторов в нервных импульсах, другие используются в химической промышленности для проведения синтезов, третьи – в пищевой отрасли.

Источник