Природные амиды, полиамиды, полиэфиры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Амиды

Амидами называют производные кислот, в которых гидроксильная группа заменена на аминогруппу. Амиды можно рассматривать также как ацильные производные аминов.

По номенклатуре IUPAC названия амидов строятся из названия соответствующей кислоты заменой окончания -овая кислота на -амид:

Большинство амидов представляет собой бесцветные кристаллические вещества. Низшие гомологи растворимы в воде. Из-за наличия межмолекулярных водородных связей у них относительно высокие температуры кипения.

1. Получение амидов

Амиды могут быть получены из всех производных кислот.

1.1 Синтез амидов из карбоновых кислот

При нагревании сухих карбоксилатов аммония они отщепляют воду превращаясь в амиды:

Реакция часто проводится путем пропускания паров кислот вместе с аммиаком над дегидратирующими катализаторами.

В лаборатории амиды чаще всего получают действием на аммиак или амины хлорангидридами и ангидридами карбоновых кислот:

Циклические ангидриды кислот реагируя с аммиаком превращаются в аммонийные соли амидокислот:

фталевый ангидрид фталамат аммония фталамовая кислота

Амиды образуются также при взаимодействии карбоновых кислот (их галогенангидридов или ангидридов) с органическими производными аммиака (аминами):

1.2 Получение амидов из оксимов перегруппировкой Бекмана

Наибольшее значение имеют продукты перегруппировки циклических оксимов - лактамы. Практическое применение эта реакция находит в синтезе капролактама, полимеризующегося в капрон:

Фенол циклогексанол циклогексанон оксим циклогексанона

капролактам капрон

1.3 Получение амидов из сложных эфиров

Эта реакция имеет большое практическое значение. В промышленности из метилформиата и аммиака получают формамид:

формамид

Исходный метилформиат получают из метанола и окиси углерода:

Технология процесса позволяет проводить реакцию так, чтобы сочетать образование метилформиата и его превращение в формамид.

Формамид представляет собой бесцветную жидкость (Т.кип. 210,7 ОС) и используется как растворитель. Один из важнейших биполярных апротонных растворителей N,N-диметилформамид (ДМФА, Т.кип. 152 оС) получают из диметиламина и окиси углерода через метилформиат:

2. Реакции амидов

2.1 Кислотность амидов

В отличие от аминов амиды являются лишь слабыми основаниями. Это обусловлено сопряжением электронной пары атома азота с карбонильой группой.

В то же время они являются слабыми кислотами.

амид белок синтез эфир

2.2 Восстановление амидов

При восстановлении амидов натрием в этаноле или алюмогидридом лития, так же как и при каталитическом гидрировании образуются амины:

N-Замещенные амиды аналогичным образом дают вторичные и третичные амины.

2.3 Гидролиз амидов

Гидролиз амидов - типичная реакция производных карбоновых кислот. Она протекает как нуклеофильное замещение и катализируется как кислотами, так и основаниями.

механизм

2.4 Дегидратация амидов

Такие дегидратирующие агенты как SOCl2, P4O10 отщепляют от амидов воду и с хорошим выходом дают нитрилы:

амид изомасляной изобутиронитрил

Формамид просто при нагревании превращается в синильную кислоту:

формамид синильная кислота

Этим методом ее и получают в промышленности.

2.5 Расщепление амидов по Гофману

По реакции Гофмана из амидов получают амины, содержащие на один атом углерода меньше, чем в исходном амиде:

амид изомасляной кислоты изопропиламин

Механизм перегруппировки Гофмана (расщепления амидов по Гофману).

На первом этапе происходит бромирование амидов в щелочной среде:

амид N-бромамид

На второй стадии щелочь отщепляет протон и образуется анион N-бромамида изомеризующийся в изоцианат:

N-бромамид изоцианат

Изоцианат далее гидролизуется и разлагается с образованием амина:

изоцианат карбамат-ион амин

3. Амиды угольной кислоты

Угольной кислоте соответствует два вида амидов:

карбаминовая кислота мочевина

Карбаминовая кислота неустойчива. Устойчивы лишь ее соли, их называют карбаматами. Карбамат аммония может быть получен из сухого аммиака и диоксида углерода:

карбамат аммония

В промышленности мочевину получают из двуокиси углерода и аммиака через карбамат аммония, который при 130-150оС и давлении 35-40 ат дегидратируется:

карбамат аммония мочевина

Мочевимна (карбамид) -- химическое соединение, диамид угольной кислоты. Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях (воде, этаноле, жидком аммиаке).

Мочевина является конечным продуктом метаболизма белка у млекопитающих и некоторых рыб.

Производные нитрозомочевин находят применение в фармакологии в качестве противоопухолевых препаратов.

Применение

Незамещенные алифатические карбоновые кислотные амиды нашли широкое применение как промежуточные продукты, стабилизаторы, пластификаторы, поверхностно-активные вещества и флюсы для пайки. Замещенные амиды типа диметилформамида и диметилацетамида обладают свойствами растворителей.

Диметилформамид используется, главным образом, как растворитель в органическом синтезе. Он также применяется при производстве синтетических волокон.

Ацетамид -- CH3CONH2, амид уксусной кислоты. Игольчатые кристаллы с мышиным запахом.

Известен природный амид уксусной кислоты, являющийся минералом.

Ацетамид используется для денатурирования этилового спирта и как растворитель для многих органических соединений, а также как пластификатор, и добавка к бумаге. Он входит в состав лаков, взрывчатых веществ и флюсов для пайки.

Формамид применяется в качестве пластификатора для бумаги и клеев, растворителя пластмасс, а также в фармацевтической промышленности.

Полиакриламиды находят широкое применение в водоочистительных сооружениях и как упрочняющие средства в целлюлозно-бумажной промышленности. Ароматические соединения амидов являются важными промежуточными звеньями при производстве красителей и лекарств. Некоторые из них обладают свойством отпугивать насекомых.

Полиамиды.

Амиды имеют важную роль в природе. Из них построены молекулы природных белков и пептидов.

Белки представляют собой сложные полипептиды, в которых отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при взаимодействии карбоксильных СООН и аминных NH2 групп аминокислот.

Амидная связь очень прочная, и в нормальных клеточных условиях (37 °C, нейтральный ph) самопроизвольно не разрывается. Пептидная связь разрушается при действии на неё специальных протеолитических ферментов (протеаз, пептидгидролаз).

Первичная структура белка

Под первичной структурой подразумевают порядок, последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Зная первичную структуру, можно точно написать структурную формулу белковой молекулы, если она представлена одной полипептидной цепью. Если в состав белка входит несколько полипептидных цепей, то задача определения первичной структуры несколько сложнее, так как необходимо предварительное разъединение этих цепей.

Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном главновалентными пептидными связями; возможно участие и небольшого числа дисульфидных связей.

В настоящее время выяснение первичной структуры белков является вопросом времени и технического оснащения лабораторий. Полностью выяснена первичная структура многих природных белков. Первым из них был инсулин, содержащий 51 аминокислотный остаток (Сэнджер, 1953). Самым крупным белком с выясненной первичной структурой был иммуноглобулин, в четырех полипептидных цепях которого насчитывается 1300 аминокислотных остатков.

Вторичная структура белка

Под вторичной структурой белка подразумевают конфигурацию полипептидной цепи, т.е. способ свертывания, скручивания (складывания, упаковки) полипептидной цепи в спиральную или какую-либо другую конформацию; оно протекает не хаотично, а в соответствии с программой, заложенной в первичной структуре. Подробно изучены две основные конфигурации полипептидных цепей, отвечающих структурным требованиям и экспериментальным данным: ?-конфигурация и ?-структуры.

Вероятным типом строения глобулярных белков принято считать ?-спираль (?-конфигурация), модель которой представлены на рисунке (а):

(а) ?-Спираль (б) ?-Структура

Закручивание полипептидной цепи идет по часовой стрелке (правый ход спирали), что обусловлено L-аминокислотным составом природных белков. Движущей силой в возникновении ?-спиралей (так же как и ?-структур) является способность аминокислот к образованию водородных связей. В структуре ?-спиралей открыт ряд закономерностей. На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Шаг спирали (расстояние вдоль оси) равен 0,54 нм на виток, а на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали равен 26°; через каждые 5 витков спирали (18 аминокислотных остатков) структурная конфигурация полипептидной цепи повторяется. Это означает, что период повторяемости (или идентичности) ?-спиральной структуры составляет 2,7 нм. На рисунке (а) модели ?-спирали зачернены участки спирали, обращенные к наблюдателю; пунктиром обозначены водородные связи между СО- и NH-группами, расположенными на соседних участках спирали; атомы водорода показаны в виде маленьких серых кружочков.

Для каждого белка характерна определенная степень спирализации его полипептидной цепи. Степень спирализации устанавливают путем измерения удельного вращения плоскости поляризованного света. Изменение последнего находится в прямой зависимости от степени спирализации белковой молекулы. Не все глобулярные белки спирализованы на всем протяжении полипептидной цепи. В молекуле белка ?-спиральные участки чередуются с линейными. В частности, если ?- и ?-цепи гемоглобина спирализованы, например, на 75%, то лизоцим -- на 42%, а пепсин -- всего на 30%.

Таким образом, стабильность вторичной структуры в основном обеспечивается водородными связями (определенный вклад в это вносят и валентные связи -- пептидные и дисульфидные).

Другой тип структуры, обнаруженный в белках волос, шелка, мышц и других фибриллярных белках, получил название ?-конфигурации, ?-структуры (рисунок (б)). В этом случае две или более линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно, прочно связываются водородными связями, образуя структуру типа складчатого слоя. Такая структура менее устойчива, чем ?-конформация.

Обе конформации могут быть обратимы при механическом воздействии и изменении влажности (при растворении в воде?-конформация сохраняется, однако при нагреве в узком интервале температур разрушаются водородные связи, падает вязкость раствора). В природе существуют белки, строение которых, однако, не соответствует ни ?-, ни ?-структурам.

Типичным примером таких белков является коллаген - фибриллярный белок, составляющий основную массу соединительной ткани в организме человека и животных. В естественных условиях коллаген находится в форме длинных фибриллярных нитей, однако при нагревании эти нити превращаются в беспорядочные клубочки, получившие название желатины.

Третичная структура белка

Под третичной структурой белка подразумевают пространственную ориентацию полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Она образуется за счет ковалентных связей S--H, которые образуют дисульфидные мостики --S--S--, сшивающие разные части ?-спирали (рисунок (в)):

(в) Третичная структура (г) Четвертичная структура

В стабилизации пространственной структуры белков, помимо валентных связей (пептидные и дисульфидные связи), основную роль играют так называемые нековалентные связи. К этим связям относятся: водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот, так называемые гидрофобные взаимодействия, вызванные вталкиванием гидрофобных радикалов внутрь молекулы белка молекулами воды (растворителя) и т. д.

Третичная структура белка, после завершения его синтеза в рибосомах, возникает автоматически и полностью предопределяется первичной структурой. Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры являются взаимодействия радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, в то время как полярные радикалы оказываются ориентированными в стороны воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная конформация молекулы в целом и она стабилизируется. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией.

В свою очередь трехмерная структура белковой молекулы также содержит информацию, но уже совершенно нового типа, а именно функциональную. Все биологические свойства белков (каталитические, гормональные, антигенные и др.) связаны с сохранностью их третичной структуры, которую принято называть нативной конформацией. Любые воздействия (термические, физико-химические), приводящие к нарушению этой конформации молекулы (разрыв водородных и других нековалентных связей), сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств.

Четвертичная структура белка

Под четвертичной структурой подразумевают симметричнопосторенные комплексы, стабилизированные за счет нековалентных взаимодействий. Такие называют олигомерами, а составные единицы комплексов (2-12 белков) -субъединицами или мономерами (рисунок (г)). Многие функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных нековалентными связями (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность третичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров. Образовавшуюся молекулу принято называть мультимером. Мультимерные белки чаще всего построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8, 10, 12 и т. д.) с разными молекулярными массами -- от нескольких тысяч до 100 000 дальтон.

Основными силами, стабилизирующими четвертичную структуру, являются нековалентные связи между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по типу комплементарности, т. е. универсальному принципу, свойственному живой природе.

На рисунке изображена трехмерная модель молекулы гемоглобина; субъединицы типа ? (светлые) и ? (темные) расположены по углам почти правильного тетраэдра, темные диски -- группы гема.

Каждый индивидуальный белок характеризуется уникальной структурой, обеспечивающей уникальность его функций. Поэтому выяснение структуры разнообразных белков может служить ключом к познанию природы живых систем и, соответственно, сущности жизни.

Химические свойства. Химические свойства белков отличаются исключительным разнообразием. Обладая аминокислотными радикалами различной химической природы, белковые тела способны давать широкий круг реакций

Особо важную роль в обеспечении определенных структурных особенностей белковых молекул и ряда их биологических свойств имеют реакций между радикалами аминокислотных остатков в пределах одной и той же белковой молекулы. При этом выявляется отчетливая зависимость третичной структуры белков от ряда внешних условий: рН среды, концентрации солей в растворе, окислительно-восстановительного режима клетки и др. Весьма характерна для белков реакция гидролиза пептидных связей.

1. Свертывание и денатурация. Белки, обладающие всеми характерными природными свойствами, называются нативными. Часто под влиянием очень мягкой обработки, например легкого встряхивания, и тем более при грубых физических или химических воздействиях белки быстро теряют нативность и переходят в денатурированное состояние. Изменение уникальной структуры нативного белка, сопровождающееся потерей характерных для него свойств: растворимости, биологической активности, электрофоретической подвижности и т.п., называется денатурацией. Денатурация, как правило, затрагивает третичную и частично вторичную структуры белковой молекулы и не сопровождается какими-либо изменениями первичной структуры. Поэтому при денатурации белка нарушаются главным образом дисульфидные мостики, солевые и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия в белковой молекуле. При определенных условиях денатурированный белок можно частично или полностью вернуть к исходному состоянию. Такой белок называют ренатурированным.

2. Гидролиз белков. Белки нацело гидролизуются до аминокислот конц. Н2SO4 при н.у. или 2% HCl при нагревании и повышенном давлении. Гидролиз белков является способом выделения аминокислот.

3. Биуретовая реакция. Это качественная реакция на пептидную связь.

Красно-фиолетовое окрашивание.

Размещено на Allbest.ru