Використовуючи даний відеоурок, всі бажаючі зможуть отримати уявлення про тему "Азотвмісні органічні сполуки". За допомогою цього відеоматеріалу ви дізнаєтеся про органічні сполуки, що мають у своєму складі азот. Вчитель розповість про азотовмісні органічні сполуки, їх склад і властивості.
Тема: Органічні речовини
Урок: Азотовмісні органічні сполуки
У більшості природних органічних сполук азот входить до складу NH 2 - аміногрупи. Органічні речовини, молекули яких містять аміногрупу , називаються амінами. Будова молекул амінів аналогічна до будови аміаку, і тому властивості цих речовин подібні.
Амінами називають похідні аміаку, у молекулах якого один або кілька атомів водню заміщені вуглеводневими радикалами. Загальна формула амінів - R - NH 2.
Мал. 1. Шаростержневі моделі молекули метиламіну ()
Якщо заміщено один атом водню, то утворюється первинний амін. Наприклад, метиламін
(див. рис. 1).
Якщо заміщені 2 атоми водню, то утворюється вторинний амін. Наприклад, диметиламін
При заміщенні всіх 3 атомів водню в аміаку утворюється третинний амін. Наприклад, триметиламін
Різноманітність амінів визначається як кількістю заміщених атомів водню, а й складом вуглеводневих радикалів. ЗnН 2n +1 - NН 2– це загальна формула первинних амінів.
Властивості амінів
Метиламін, диметиламін, триметиламін – це гази з неприємним запахом. Кажуть, що вони мають запах риби. Завдяки наявності водневого зв'язку вони добре розчиняються у воді, спирті, ацетоні. Через водневий зв'язок у молекулі метиламіну спостерігається і велика відмінність у температурах кипіння метиламіну (t кип. = -6,3 °С) та відповідного вуглеводню метану CH 4 (t кип. = -161,5 °С). Інші аміни є рідкими або твердими, за нормальних умов, речовинами, що мають неприємний запах. Тільки вищі аміни практично не мають запаху. Здатність амінів вступати в реакції, подібні до аміаку, обумовлена також наявністю в їх молекулі «неподіленої» пари електронів (див. рис. 2).
Мал. 2. Наявність у азоту «неподіленої» пари електронів
Взаємодія з водою
Лужне середовище у водному розчині метиламіну можна виявити за допомогою індикатора. Метиламін СН 3 -NН 2- теж основа, але іншого типу. Його основні властивості обумовлені здатністю молекул приєднувати катіони H +.
Сумарна схема взаємодії метиламіну з водою:
СН 3 -NН 2 + Н-ОН → СН 3 -NН 3 + + ВІН -
МЕТИЛАМІН ІОН МЕТИЛ АМОНІЯ
Взаємодія з кислотами
Подібно до аміаку, аміни взаємодіють з кислотами. При цьому утворюються тверді солеподібні речовини.
З 2 Н 5 -NН 2 + НСl→ З 2 Н 5 -NН 3 + + Сl -
ЕТИЛАМІН ХЛОРИД ЕТИЛ АМОНІЯ
Хлорид етиламонію добре розчиняється у воді. Розчин цієї речовини проводить електричний струм. При взаємодії хлориду етиламонію з лугом утворюється етиламін.
З 2 Н 5 -NН 3 + Сl - + NаОН → З 2 Н 5 -NН 2 +NаСl+ Н 2 Про
При горінніамінів утворюються не тільки оксиди вуглецю та вода, а й молекулярний азот.
4СН 3 -NН 2 + 9О 2 → 4 СО 2 + 10 Н 2 О + 2N 2
Суміші метиламіну з повітрям вибухонебезпечні.
Нижчі аміни використовують для синтезу лікарських засобів, пестицидів, а також при виробництві пластмас. Метиламін – токсична сполука. Він дратує слизові оболонки, пригнічує дихання, негативно діє на нервову систему, внутрішні органи.
Підбиття підсумку уроку
Ви дізналися ще один клас органічних речовин – аміни. Аміни відносяться до азотовмісних органічних сполук. Функціональна група амінів - NН2, звана аміногрупою. Аміни можна розглядати як похідні аміаку, у молекулах якого один або кілька атомів водню заміщені на вуглеводневий радикал. Розглянули хімічні та фізичні властивості амінів.
1. Рудзітіс Г.Є. Неорганічна та органічна хімія. 9 клас: Підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г.Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. - М: Просвітництво, 2009.
2. Попіль П.П. Хімія. 9 клас: Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів/ П.П. Попіль, Л.С. Крівля. – К.: ІЦ «Академія», 2009. – 248 с.: іл.
3. Габрієлян О.С. Хімія. 9 клас: Підручник. – М.: Дрофа, 2001. – 224 с.
1. Рудзітіс Г.Є. Неорганічна та органічна хімія. 9 клас: Підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г.Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. – К.: Просвітництво, 2009. – №№ 13-15 (с. 173).
2. Обчисліть масову частку азоту у метиламіні.
3. Напишіть реакцію горіння пропіламіну. Вкажіть суму коефіцієнтів продуктів реакції.
Лекція:Характерні Хімічні властивостіазотовмісних органічних сполук: амінів та амінокислот
Аміни, особливості їх будови
Вам вже відомо, що молекули органічних сполук складаються з атомів вуглецю, водню та кисню. Але серед них є й такі, що містять атоми азоту. Саме азотовмісні органічні сполуки, такі як амінокислоти, білки та нуклеїнові кислоти, є основою життя на Землі. Найпростішими азотовмісними сполуками є аміни.
Аміни– це органічні сполуки, що є похідними аміаку, в молекулі яких один або кілька атомів водню заміщені на вуглеводневі радикали (R).
З цього твердження, тобто. за кількістю аміногруп NH 2 аміни поділяються на:
первинні,
вторинні та
третинні.
Атом азоту в молекулі аміну завжди готовий надати свою неподілену електронну пару іншому атому, тому він є донором. Таким чином, зв'язок катіону водню з атомом азоту в молекулі аміну відбувається за допомогою механізму донорно-акцепторного. Виходячи з цього, аміни, як і аміак, мають досить виражені основні властивості.
Залежно від типу радикала, пов'язаного з атомом азоту, аміни поділяються на:
аліфатичні (CH 3 -N<) и
ароматичні (C 6 H 5 -N<).
Ізомерія аліфатичних амінів:
Аліфатичні аміни, інакше звані граничними, є сильнішими підставами, ніж аміак. Це зумовлено тим, що в амінах вуглеводневі замісники мають позитивний індуктивний (+I) ефект. Так само, через це, на атомі азоту зростає електронна щільність. Цей процес помітно полегшує його взаємодію Космосу з катіоном Н + .
Ізомерія ароматичних амінів:
Ароматичні аміни виявляють слабші основні властивості порівняно з аміаком. Це тим, що неподілена електронна пара атома азоту зсувається у бік ароматичної π-системи бензольного кільця. Згодом електронна щільність на атомі азоту поступово знижується.
Хімічні властивості амінів
Наявність електронної пари атомі азоту наділяє аміни основними властивостями. Первинні граничні аміни, в силу сильніших основних властивостей, взаємодіють з водою дещо краще за аміак. У свою чергу, основність вторинних граничних амінів більша за первинні. Прояв основних властивостей третинними амінами негаразд однозначно, оскільки атом азоту них, нерідко екранований вуглеводневими радикалами, що заважає прояву його основних властивостей.
Аміни вступають у оборотні реакції з водою. Водний розчин амінів є лужним середовищем, що є наслідком дисоціації підстав, що утворюються. Загальний вигляд реакції виглядає так:
RNH 2 + H 2 O<->RNH 3 + + OH -
Вільні граничні аміни та їх водні розчини взаємодіють з кислотами з утворенням солей. Наприклад:
CH 3 NH 2 + H 2 SO 4 → HSO 4
C 6 H 5 NH 2 + HCl → Cl
Солі амінів є аналогами солей амонію і є твердими речовинами. Вони добре розчиняються у воді та погано у неполярних органічних розчинниках. У реакціях з лугами при нагріванні із солей амінів вивільняються вільні аміни:
[CH 3 NH 3 ] Cl + NаОH → CH 3 NH 2 + Nа Cl + H 2 O
Первинні граничні аміни взаємодіють з азотистою кислотою з утворенням спиртів, газоподібного азоту N 2 та води:
RNH 2 + HNO 2 → ROH + N 2 + H 2 O
Це якісна реакція первинних граничних амінів і застосовується їхнього від вторинних і третинних.
Вторинні аміни в такій же реакції утворюють масляні рідини із запахом - N-нітрозаміни:
R 2 NH + HO- N=O → R 2 N-N=O+ H 2 O
Третичні аміни з азотистою кислотою не взаємодіють.
- Аміни вступають у реакції нуклеофільного заміщення:
CH 3 CH 2 Br + CH 3 CH 2 NH 2 → (CH 3 CH 2 ) 2 NH 2 + Br - CH 2 CH 3
- Взаємодія первинних та вторинних амінів з карбоновими кислотами призводить до їх ацилювання, в результаті утворюються найважливіші органічні сполуки аміди:
Повне згоряння будь-яких амінів призводить до утворення вуглекислого газу, води та азоту:
4C n H 2n+3 N + (6n+3)O 2 → 4nCO 2 + (4n+6)H 2 O
Розглянемо характерні хімічні властивості аніліну (амінобензолу) – найпростішого ароматичного аміну. Аміногрупа у молекулі даної речовини безпосередньо з'єднана з ароматичним кільком. Основні властивості аніліну набагато слабші за аліфатичні аміни. Тому реакція аніліну з водою та слабкими кислотами (наприклад, вугільною) не йде.
Анілін реагує з сильними та середніми неорганічними кислотами з утворенням феніламонію. Наприклад:
З 6 Н 5 N Н 2 + HCl → З 6 Н 5 N Н 3 С l
Солі феніламонію C 6 H 5 NH 3 + добре розчиняються у воді, але нерозчинні у неполярних органічних розчинниках.
Аміногрупа ароматичних амінів, зокрема аніліну, втягнута в ароматичне кільце, знижує електронну щільність на атомі азоту, але збільшує її в ароматичному ядрі. Тому реакції електрофільного заміщення (з галогенами) протікають значно легше, особливо в орто- та пара-положеннях. Наприклад, анілін легко вступає у взаємодію Космосу з бромною водою, утворюючи білий осад 2,4,6-триброманилина:
Це якісна реакція на анілін.
Анілін реагує з азотистою кислотою при t 0 0 С, утворюються солі діазонію, що мають велике практичне значення та застосовуються для синтезу азобарвників та інших сполук:
C 6 H 5 NH 2 + KNO 2 + 2HCl → + Cl - + KCl + 2H 2 O
Продуктами наведеної реакції є хлорид фенілдіазонію, хлорид калію та вода.
При проведенні реакції даного типу при високій t виділяється азот, а анілін перетворюється на фенол:
C 6 H 5 NH 2 + NaNO 2 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -OH + N 2 + Na HSO 4 + H 2 O
Алкілювання аніліну галогенпохідними вуглеводнів утворює вторинні та третинні аміни.
Хімічні властивості амінокислот
Амінокислоти- органічні сполуки, молекули яких мають дві функціональні групи – аміно (-NH 2) та карбокси-(-COOH).
Загальна формула амінокислот: (NH2)xR(COOH)y,де x і y найчастіше дорівнюють 1 або 2.
Наявність у молекулах даних сполук аміно- та карбокси-груп пояснює хімічні властивості амінокислот, схожі з амінами та карбоновими кислотами. Тому амінокислоти виявляють основні властивості, характерні для сполук, що містять аміногрупи та ксилотні властивості, характерні для сполук, що містять карбоксильну групу. Отже, амінокислоти – амфотерні органічні сполуки.
- У реакціях з лугами амінокислоти виявляють кислотні властивості:
H 2 N-СH 2 -СООН + NaOН → H 2 N-СH 2 -СООН - Nа ++ H 2 O
- У реакціях етерифікації зі спиртами також виявляють кислотні властивості:
NH 2 CH 2 COOH + CH 3 OH → NH 2 CH 2 COOCH 3 + H 2 O
У реакціях із сильними кислотами виявляють основні властивості:
NH 2 CH 2 COOH + HCl → + Cl -
Реакція з азотистою кислотою протікає як у випадках із первинними амінами:
NH 2 -CH 2 -COOH + HNO 2 → АЛЕ-CH 2 -COOH + N 2 + H 2 O
Алкілювання амінокислоти:
NH 2 CH 2 COOH + CH 3 I → + I -
У реакціях один з одним амінокислоти утворюють дипептиди – сполуки, що містять у своїх молекулах пептидний зв'язок – C(O)-NH-. Наприклад, реакції гліцину і аланіну утворюється дипептид глицилаланин:
Проведення цієї реакції без дотримання специфічних умов синтезу призведе до утворення не гліцилаланіну, а аланілгліцину.
| | |
Сполуки, що містять у структурі своїх молекул атоми азоту, широко поширені у природі (білкові речовини, фізіологічно активні сполуки, полімерні матеріали тощо). До найпростіших відносяться:
а) нітрозосполуки
б 
) нітросполуки
в 
) аміни:
г 
) діазосполуки
д 
) Азосполуки
ж) нітрили 
з) аміноспирти, амінокислоти, аміносахара тощо.
Нітросполуки
Нітросполуки – речовини, що містять у своєму складі нітрогрупу – NO 2 (може бути одна або декілька). Залежно від вуглеводоодного радикала розрізняють аліфатичні (насичені та ненасичені), ациклічні, ароматичні, гетероциклічні. За типом вуглецю, з яким пов'язана нітрогрупа - первинні, вторинні, третинні нітросполуки.
Стронення нітрогрупи відрізняється низкою особливостей, які впливають на фізичні та хімічні властивості нітросполук. Встановлено, що обидва атоми кисню в нітрогрупі абсолютно рівноцінні і будова нітрогрупи може бути зображена у вигляді:
тобто електронна щільність розподілена рівномірно
При назві нітросполук до назви відповідного вуглеводню додається приставка нітро-:
Ізомерія пов'язана з будовою вуглеводневого радикалу та положенням нітрогрупи.
СПОСОБИ ОТРИМАННЯ
1. Нітрування алканів (реакція Коновалова)
2. Нітрування аренів
3. Алкілювання нітритів галогенопохідними
4. Окислення первинних ароматичних амінів перкислотами
Фізичні властивості
Нітросполуки аліфатичні - висококиплячі рідини з приємним запахом, погано або зовсім не розчиняються у воді. Починаючи з 4 – ρ>1. Ароматичні нітросполуки - рідини або тверді речовини, що мають запах гіркого мигдалю, отруйні. Через наявність семиполярного зв'язку в молекулах нітросполуки мають підвищену полярність, високими t кип. та t пл. , великий електричний дипольний момент. При накопиченні в молекулі нітрогруп полінітросполуки стають вибуховими.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Хімічні властивості обумовлені наявністю нітрогрупи, будовою вуглеводневого радикалу та впливом їх одна на одну.
1. Відновлення.Проводиться в кислому, лужному чи нейтральному середовищі до утворення первинних амінів. Залежно від умов та характеру відновника утворюються різні проміжні продукти.
1.1. Відновлення у кислому середовищі Fe або Sn. Проміжні продукти виділити не вдається:
1.2. Відновлення у нейтральному середовищі здійснюється Zn. Можна зупинити реакцію та виділити фенілгідроксиламін (стадії 1, 2, 3).
1.3. Відновлення в лужному середовищі дозволяє виділити азоксибензол, азобензол і гідразобензол, що проміжно утворюються:
Будь-які продукти реакції відновлення можна отримати електрохімічним шляхом, підібравши відповідний режим електролізу.
2. Окисно-відновні реакції. Так як нітрогрупа має досить сильну окислювальну дію, яка може проявлятися внутрішньомолекулярно при доборі відповідних умов. У цьому атом азоту – відновлюється, а сусідній із нею атом вуглецю – окислюється.
Первинні нітросполуки під дією концентрованих мінеральних кислот при нагріванні утворюють карбонову кислоту та гідроксиламін:
Під дією розведених мінеральних кислот з первинних амінів утворюються альдегіди, з вторинних – кетони (реакція Нефа):
В ароматичних амінах окислюється вуглеводневий ланцюжок (якщо такий є), що знаходиться в о-положенні по відношенню до нітрогрупи:
3. Дія лугів(Таутомерія нітросполук). Реакція протікає тільки для первинних та вторинних нітросполук (третинні з лугами не реагують). Так як група -NO 2 має сильні акцепторні властивості, водень в α-положенні по відношенню до неї має підвищену рухливість. Тому нітросполуки можуть повільно розчинятися в лугах з утворенням солі аци-форми, яка при подальшому підкисленні переходить в ацинітроформу (нітронову кислоту), а остання - в нітроформу. Такий перехід форм одне одного називається таутомерным.
4. Дія азотистої кислоти. Дозволяє розрізнити первинні та вторинні нітросполуки (третинні – не реагують). Реакція також обумовлена рухливістю водню в α-положенні. Первинні при взаємодії з HNO 2 утворюють α-нітрозонітросполуки, таутомерні з нітроловими кислотами:
Лужні солі нітролових кислот мають яскраво-червоний колір.
Вторинні нітросполуки з HNO 2 утворюють псевдонітроли:
Розчини псевдонітролів в ефірі та хлороформі мають синій колір.
5. Конденсація з альдегідами. Рухливість водню в α-положенні дозволяє провести реакції конденсації з альдегідами альдольно-кротонового типу.
Якщо для конденсації використовується бензальдегід, проміжний альдоль через свою нестійкість практично відразу переходить у β-нітростиролів:
6. Реакції вуглеводневих радикалів. Аліфатичні нітросполуки можуть бути прогалогеновані у присутності лугів у α-положенні.
Ненасичені нітросполуки виявляють всі властивості кратних зв'язків (крім реакції відновлення). Приєднання до α, β-кратних зв'язків іде проти правила Марковникова, оскільки група –NO 2 виявляє сильні акцепторні властивості.
Для ароматичних нітросполук реакції електрофільного заміщення протікають важче, ніж для бензолу, так як нітрогрупа є заступником 2-го роду (електроноакцепторний замісник), що ускладнює реакції з електрофільними реагентами.
Реакції із нуклеофільними реагентами нітрогрупа полегшує. При кип'ятінні з КОН утворюється суміш о- І п-нітрофенолятів калію:
При збільшенні числа нітрогруп, що стоять у м-положенні по відношенню один до одного, нітросполуки виявляють ще більшу реакційну здатність по відношенню до нуклеофільних реагентів. Тринітробензол в лужному середовищі окислюється дуже слабкими окислювачами (залізонеродистим калієм) до пікринової кислоти:
Характерні хімічні властивості азотовмісних органічних сполук: амінів та амінокислот
Аміни
Аміни - органічні похідні аміаку, в молекулі якого один, два або всі три атоми водню заміщені вуглецевим залишком.
Відповідно, зазвичай виділяють три типи амінів:
Аміни, в яких аміногрупа пов'язана безпосередньо з ароматичним кільцем, називаються ароматичними амінами.
Найпростішим представником цих сполук є амінобензол, або анілін:
Основною відмінністю електронної будови амінів є наявність у атома азоту, що входить у функціональну групу, неподіленої електронної пари. Це призводить до того, що аміни виявляють властивості основ.
Існують іони, які є продуктом формального заміщення на вуглеводневий радикал всіх атомів водню в іоні амонію:
Ці іони входять до складу солей, схожих на солі амонію. Вони називаються четвертинними амонійними солями.
Ізомерія та номенклатура
Для амінів характерна структурна ізомерія:
— ізомерія вуглецевого скелета:
— ізомерія положення функціональної групи:
Первинні, вторинні та третинні аміни ізомерні один одному ( міжкласова ізомерія):
$(CH_3-CH_2-CH_2-NH_2)↙(\text"первинний амін (пропіламін)")$
$(CH_3-CH_2-NH-CH_3)↙(\text"вторинний амін (метилетиламін)")$
Як видно з наведених прикладів, для того, щоб назвати амін, перераховують заступники, пов'язані з атомом азоту (по порядку старшинства), і додають суфікс -амін.
Фізичні та хімічні властивості амінів
Фізичні властивості.
Найпростіші аміни (метил амін, диметиламін, триметиламін) - газоподібні речовини. Інші нижчі аміни - рідини, які добре розчиняються у воді. Мають характерний запах, що нагадує запах аміаку.
Первинні та вторинні аміни здатні утворювати водневі зв'язки. Це призводить до помітного підвищення їх температур кипіння в порівнянні з сполуками, що мають ту ж молекулярну масу, але не здатні утворювати водневі зв'язки.
Анілін - масляниста рідина, обмежено розчинна у воді, що кипить при температурі $184°С$.
Хімічні властивості.
Хімічні властивості амінів визначаються в основному наявністю атома азоту неподіленої електронної пари.
1. Аміни як основи.Атом азоту аміногрупи, подібно до атома азоту в молекулі аміаку, за рахунок неподіленої пари електронів може утворювати ковалентний зв'язок по донорно-акцепторному механізму, виступаючи в ролі донора. У зв'язку з цим аміни, як аміак, здатні приєднувати катіон водню, тобто. виступати в ролі основи:
$NH_3+H^(+)→(NH_4^(+))↙(\text"іон амонію")$
$CH_3CH_2—NH_2+H^(+)→CH_3—(CH_2—NH_3^(+))↙(\text"іон етиламонія")$
Відомо, що реакція аміаку з водою призводить до утворення гідроксид-іонів:
$NH_3+H_2O⇄NH_3·H_2O⇄NH_4^(+)+OH^(-)$.
Розчин аміну у воді має лужну реакцію:
$CH_3CH_2-NH_2+H_2O⇄CH_3-CH_2-NH_3^(+)+OH^(-)$.
Аміак, реагуючи із кислотами, утворює солі амонію. Аміни також здатні вступати в реакцію з кислотами:
$2NH_3+H_2SO_4→((NH_4)_2SO_4)↙(\text"сульфат амонію")$,
$CH_3-CH_2-NH_2+H_2SO_4→((CH_3-CH_2-NH_3)_2SO_4)↙(\text"сульфат етиламонію")$.
Основні властивості аліфатичних амінів виражені сильніше, ніж у аміаку. Підвищення електронної щільності перетворює азот на сильнішого донора пари електронів, що підвищує його основні властивості:
2. Аміни горятьна повітрі з утворенням вуглекислого газу, води та азоту:
$4CH_3NH_2+9O_2→4CO_2+10H_2O+2N_2$
Амінокислоти
Амінокислоти - гетерофункціональні сполуки, які обов'язково містять дві функціональні групи: аміногрупу $-NH_2$ і карбоксильну групу $-СООН$, пов'язані з вуглеводневим радикалом.
Загальну формулу найпростіших амінокислот можна записати так:
Так як амінокислоти містять дві різні функціональні групи, які впливають одна на одну, характерні реакції відрізняються від характерних реакцій карбонових кислот та амінів.
Властивості амінокислот
Аміногрупа $-NH_2$ визначає основні властивості амінокислот, т.к. здатна приєднувати себе катіон водню по донорно-акцепторному механізму з допомогою наявності вільної електронної пари в атома азоту.
Група $-СООН$ (карбоксильна група) визначає кислотні властивості цих сполук. Отже, амінокислоти – це амфотерні органічні сполуки.
З лугами вони реагують як кислоти:
З сильними кислотами - як основи-аміни:
Крім того, аміногрупа в амінокислоті вступає у взаємодію з карбоксильною групою, що входить до її складу, утворюючи внутрішню сіль:
Оскільки амінокислоти у водних розчинах поводяться як типові амфотерні сполуки, то живих організмах вони грають роль буферних речовин, підтримують певну концентрацію іонів водню.
Амінокислоти є безбарвними кристалічними речовинами, що плавляться з розкладанням при температурі вище $200°С$. Вони розчиняються у воді і нерозчинні в ефірі. Залежно від радикалу $R—$ вони можуть бути солодкими, гіркими або несмачними.
Амінокислоти поділяють на природні (виявлені в живих організмах) та синтетичні. Серед природних амінокислот (близько $150$) виділяють протеїногенні амінокислоти (близько $20$), що входять до складу білків. Вони є L-форми. Приблизно половина з цих амінокислот відносяться до незамінним, т.к. вони синтезуються в організмі людини. Незамінними є такі кислоти як валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін, лізин, треонін, цистеїн, метіонін, гістидин, триптофан. В організм людини ці речовини надходять з їжею. Якщо їх кількість у їжі буде недостатньою, нормальний розвиток та функціонування організму людини порушуються. При окремих захворюваннях організм не в змозі синтезувати деякі інші амінокислоти. Так, при фенілкетонурії не синтезується тирозин.
Найважливішою властивістю амінокислот є здатність вступати в молекулярну конденсацію з виділенням води та утворенням амідного угруповання $-NH-CO-$, наприклад:
$(nNH_2—(CH_2)_5—COOH)↙(\text"амінокапронова кислота")→((…—NH—(CH_2)_5—COO—…)_n)↙(\text"капрон")+(n+ 1) H_2O $.
Високомолекулярні сполуки, що виходять в результаті такої реакції, містять велику кількість амідних фрагментів і тому отримали назву поліамідів.
Для отримання синтетичних волокон придатні амінокислоти з розташуванням аміної карбоксильної груп на кінцях молекул.
Поліаміди $α$-амінокислот називаються пептидами. Залежно від кількості залишків амінокислот розрізняють дипептиди, пептиди, поліпептиди.У таких сполуках групи $-NH-CO-$ називають пептидними.
Деякі амінокислоти, що входять до складу білків.
Білки
Білками, або білковими речовинами, називають високомолекулярні (молекулярна маса варіюється від $5-10$ тис. до $1$ млн і більше) природні полімери, молекули яких побудовані із залишків амінокислот, з'єднаних амідним (пептидним) зв'язком.
Білки також називають протеїнами (від грец. protos- Перший, важливий). Число залишків амінокислот у молекулі білка дуже сильно коливається і іноді сягає кількох тисяч. Кожен білок має свою, властиву йому, за послідовністю розташування амінокислотних залишків.
Білки виконують різноманітні біологічні функції: каталітичні (ферменти), регуляторні (гормони), структурні (колаген, фіброїн), рухові (міозин), транспортні (гемоглобін, міоглобін), захисні (імуноглобуліни, інтерферон), запасні (казеїн, альбумін, гліадин) та інші.
Білки - основа біомембран, найважливішої складової частини клітини та клітинних компонентів. Вони відіграють ключову роль життя клітини, складаючи хіба що матеріальну основу її хімічної діяльності.
Виняткова властивість білка - самоорганізація структури, тобто. його здатність мимоволістворювати певну, властиву лише даному білку просторову структуру. По суті, вся діяльність організму (розвиток, рух, виконання ним різних функцій та багато іншого) пов'язана з білковими речовинами. Без білків неможливо уявити життя.
Білки – найважливіша складова частина їжі людини та тварин, постачальник необхідних амінокислот.
Будова білків
Всі білки утворені двадцятьма різними $α$-амінокислотами, загальну формулу яких можна подати у вигляді
де радикал R може мати найрізноманітнішу будову.
Білки є полімерними ланцюгами, що складаються з десятків тисяч, мільйонів і більше залишків $α$-амінокислот, пов'язаних між собою пептидними зв'язками. Послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка називають його первинною структурою.
Для білкових тіл характерні величезні молекулярні маси (до мільярда) та майже макророзміри молекул. Така довга молекула не може бути строго лінійною, тому її ділянки згинаються та згортаються, що призводить до утворення водневих зв'язків за участю атомів азоту та кисню. Утворюється регулярна спіралеподібна структура, яку називають вторинною структурою.
У білковій молекулі можуть виникати іонні взаємодії між карбоксильними та аміногрупами різних амінокислотних залишків та утворення дисульфідних містків. Ці взаємодії призводять до появи третинної структури.
Білки з $M_r > 50000$ складаються, як правило, з декількох поліпептидних ланцюгів, кожен з яких вже має первинну, вторинну та третинну структури. Кажуть, що такі білки мають четвертинну структуру.
Властивості білків
Білки – амфотерні електроліти. При певному значенні $рН$ середовища (воно називається ізоелектричною точкою) число позитивних та негативних зарядів у молекулі білка однаково.
Це одна з основних властивостей білка. Білки в цій точці електронейтральні, а їхня розчинність у воді найменша. Здатність білків знижувати розчинність при досягненні електронейтральності їх молекул використовується для виділення з розчинів, наприклад, технології отримання білкових продуктів.
Гідратація.Процес гідратації означає зв'язування білками води, при цьому вони виявляють гідрофільні властивості: набухають, їхня маса та обсяг збільшуються. Набухання окремих білків залежить від їхньої будови. Наявні у складі і розташовані на поверхні білкової макромолекули гідрофільні амідні ($-СО-NH-$, пептидна зв'язок), амінні ($-NH_2$) і карбоксильні ($-СООН$) групи притягують до себе молекули води, строго орієнтуючи їх на поверхні молекули. Навколишня білкові глобули гідратна (водна) оболонка перешкоджає агрегації та осадженню, а отже сприяє стійкості розчинів білка. У ізоелектричній точці білки мають найменшу здатність зв'язувати воду, відбувається руйнування гідратної оболонки навколо білкових молекул, тому вони з'єднуються, утворюючи великі агрегати. Агрегація білкових молекул відбувається і за їх зневоднення з допомогою деяких органічних розчинників, наприклад етилового спирту. Це призводить до випадання білків в осад. При зміні $рН$ середовища макромолекула білка стає зарядженою, та її гідратаційна здатність змінюється.
При обмеженому набуханні концентровані білкові розчини утворюють складні системи, які називаються холодцями. Колодязі не текучі, пружні, мають пластичність, певну механічну міцність, здатні зберігати свою форму.
Різна гідрофільність клейковинних білків - одна з ознак, що характеризують якість зерна пшениці і борошна, що отримується з нього (так звані сильні і слабкі пшениці). Гідрофільність білків зерна та борошна відіграє важливу роль при зберіганні та переробці зерна, у хлібопеченні. Тісто, яке отримують у хлібопекарському виробництві, є набряклим у воді білок, концентрований холодець, що містить зерна крохмалю.
Денатурація білків.При денатурації під впливом зовнішніх чинників (температури, механічного впливу, дії хімічних агентів та інших чинників) відбувається зміна вторинної, третинної і четвертинної структур білкової макромолекули, тобто. її нативна просторова структура. Первинна структура, отже, і хімічний склад білка не змінюються. Змінюються фізичні властивості: знижується розчинність, здатність до гідратації, втрачається біологічна активність. Змінюється форма білкової макромолекули, відбувається агрегування. У той же час збільшується активність деяких хімічних груп, Полегшується вплив на білки протеолітичних ферментів, а отже, він легше гідролізується.
У харчовій технології особливе практичне значення має теплова денатурація білків, ступінь якої залежить від температури, тривалості нагрівання та вологості. Це необхідно пам'ятати при розробці режимів термообробки харчової сировини, напівфабрикатів, а іноді готових продуктів. Особливу роль процеси теплової денатурації відіграють при бланшуванні рослинної сировини, сушінні зерна, випіканні хліба, одержанні макаронних виробів. Денатурація білків може викликатись і механічним впливом (тиском, розтиранням, струшуванням, ультразвуком). Нарешті, до денатурації білків призводить дія хімічних реагентів (кислот, лугів, спирту, ацетону). Всі ці прийоми широко використовуються в харчовій та біотехнології.
Піноутворення.Під процесом піноутворення розуміють здатність білків утворювати висококонцентровані системи «рідина — газ», які називаються пінами. Стійкість піни, в якій білок є піноутворювачем, залежить не тільки від його природи та від концентрації, а й від температури. Білки як піноутворювачі широко використовуються в кондитерській промисловості (пастилу, зефір, суфле). Структуру піни має хліб, але це впливає його смакові якості.
Молекули білків під впливом низки чинників можуть руйнуватися чи вступати у взаємодію Космосу з іншими речовинами з утворенням нових продуктів. Для харчової промисловостіможна виділити два важливі процеси: 1) гідроліз білків під дією ферментів; 2) взаємодія аміногруп білків або амінокислот з карбонільними групами цукрів, що відновлюють. Під впливом протеаз-ферментів, що каталізують гідролітичне розщеплення білків, останні розпадаються більш прості продукти (полі- і дипептиди) й у результаті амінокислоти. Швидкість гідролізу білка залежить від його складу, молекулярної структури, активності ферменту та умов.
Гідроліз білків.Реакцію гідролізу з утворенням амінокислот загальному виглядіможна записати так:
Горіння.Білки горять з утворенням азоту, вуглекислого газу та води, а також деяких інших речовин. Горіння супроводжується характерним запахом паленого пір'я.
Кольорові реакції.Використовують такі реакції:
— ксантопротеїнову,при якій відбувається взаємодія ароматичних та гетероатомних циклів у молекулі білка з концентрованою азотною кислотою, що супроводжується появою жовтого забарвлення;
— біуретову,при якій відбувається взаємодія слаболужних розчинів білків із розчином сульфату міді (II) з утворенням комплексних сполук між іонами $Cu^(2+)$ та поліпептидами. Реакція супроводжується появою фіолетово-синього забарвлення.
Аміни.Ці органічні сполуки є похідними аміаку. Їх можна розглядати як продукти заміщення одного, двох або трьох атомів водню в молекулі аміаку вуглеводневими радикалами:
H ─ N: CH 3 ─ N: CH 3 ─ N: CH 3 ─ N:
аміак метиламін диметиламін триметиламін
Аміни є органічні підстави. За рахунок неподіленої пари електронів у атома азоту їх молекули, подібно до молекули аміаку, можуть приєднувати протони:
CH 3 ─ N: + Н─О─Н → СН 3 ─ N─Н ВІН -
гідроксид метиламонію
Амінокислоти та білки
Велике біологічне значення мають амінокислоти- сполуки зі змішаними функціями, в яких, як в амінах, містяться аміногрупи - NН 2 і одночасно, як у кислотах, - карбоксильні групи -СООН.
Будова амінокислот виражається загальною формулою (де R-вуглеводневий радикал, який може містити й різні функціональні групи):
Н 2 N─CH ─ C─OH
Н 2 N─CH 2 ─ C─OH Н 2 N─CH ─ C─OH
гліцин аланін
Амінокислоти - амфотерні сполуки: вони утворюють солі з основами (за рахунок карбоксильної групи) та з кислотами (за рахунок аміногрупи).
Іон водню, що відщеплюється при дисоціації від карбоксилу амінокислоти, може переходити до її аміногрупи з утворенням угруповання амонієвої. таким чином, амінокислоти існують і вступають у реакції також у вигляді біполярних іонів (внутрішніх солей):
Н 2 N─CH ─ COOH ↔ Н 3 N + ─CH ─ COO -
амінокислота біполярний іон
(Внутрішня сіль)
Цим пояснюється, що розчини амінокислот, що містять одну карбоксильну та одну аміногрупу, мають нейтральну реакцію.
З молекул амінокислот будуються молекули білкових речовин, чи білків, які за повному гідролізі під впливом мінеральних кислот, лугів чи ферментів розпадаються, утворюючи суміші амінокислот.
Білки- природні високомолекулярні азотовмісні органічні сполуки. Вони відіграють першорядну роль переважають у всіх життєвих процесах, є носіями життя.
До складу білків входять вуглець, водень, кисень, азот і часто сірка, фосфор, залізо. Молекулярні маси білків дуже великі – від 1500 до кількох мільйонів.
Структуру молекули білка можна наступним чином:
R R R R R R
│ │ │ │ │
Н 2 N─CH ─ C─... НN─CH ─ C─.... НN─CH ─ C─... НN─CH ─ C─.... НN─CH ─ C─ОН
║ ║ ║ ║ ║
У молекулах білків багаторазово повторюються групи атомів ─СО─NH─; їх називають амідними, або хімії білків - пептидними групами.
Завдання, контрольні питання
1. Скільки м 3 оксиду вуглецю (IV) утворюється при спалюванні: а) 5 м 3 етану; б) 5 кг етану (н.у.)?
2. Напишіть структурні формули алкенів нормальної будови, які містять: а) чотири; б) п'ять; в) шість атомів вуглецю.
3. Напишіть структурну формулу н-пропанолу.
4. Які сполуки відносяться до карбонільних? Наведіть приклади, напишіть структурні формули та вкажіть у них карбонільну групу.
5. Що таке вуглеводи? Наведіть приклади.
Найважливіші органічні та неорганічні полімери,
їх будова та класифікація
Високомолекулярними сполуками, або полімерами, називають складні речовини з великими молекулярними масами (порядку сотень, тисяч, мільйонів), молекули яких побудовані з безлічі елементарних ланок, що повторюються, що утворюються в результаті взаємодії і з'єднання один з одним однакових або різних простих молекул - мономерів.
Олігомір- молекула у вигляді ланцюжка з невеликої кількості однакових складових ланок. Цим олігомери відрізняються від полімерів, у яких кількість ланок теоретично необмежена. Верхня межа маси олігомеру залежить від його хімічних властивостей. Властивості олігомерів сильно залежать від зміни кількості ланок, що повторюються, в молекулі і природи кінцевих груп; з моменту, коли хімічні властивості перестають змінюватися із збільшенням довжини ланцюжка, речовину називають полімером.
Мономір- Речовина, що складається з молекул, кожна з яких може утворювати одну або кілька складових ланок.
Складова ланка- Атом або група атомів, що входять до складу ланцюга молекули олігомеру або полімеру.
Ступінь полімеризації- Число мономерних ланок у макромолекулі.
Молекулярна масає важливою характеристикою високомолекулярних сполук – полімерів, що визначає їх фізичні (та технологічні) властивості. Число мономерних ланок, що входять до складу різних молекул однієї і тієї ж полімерної речовини по-різному, внаслідок чого молекулярна маса макромолекул полімеру також неоднакова. Тому при характеристиці полімеру говорять про середнє значення молекулярної маси. Залежно від способу усереднення - принципу, що лежить в основі методу визначення молекулярної маси, розрізняють три основні типи молекулярних мас.
Середньочислова молекулярна маса- усереднення за кількістю макромолекул у полімері:
v i-числова частка макромолекул із молекулярною масою M i , N- Число фракцій
Середньомасова молекулярна маса- усереднення по масі молекул у полімері:
Де w i- масова частка молекул із молекулярною масою Mi .
Молекулярно-масовий розподіл (ММР) полімеру (або його полідисперсність) -є його найважливішою характеристикою та визначається співвідношенням кількостей n iмакромолекул з різною молекулярною масою M iу цьому полімері. ММР істотно впливає на фізичні характеристики полімерів, і, насамперед, на механічні властивості.
ММР характеризують числовою та масовою часткою макромолекул, чиї молекулярні маси (М), лежать в інтервалі від Mдо M+dM. Визначають числову та масову диференціальні функції ММР:
dN M- Число макромолекул в інтервалі dM;
dm M- Маса макромолекул в інтервалі dM;
N 0- загальна кількість макромолекул у зразку масою m 0.
Для кількісного порівняння ММР різних полімерів мають співвідношення середніх значень їх молекулярних мас.
Класифікація полімерів
За походженням полімери поділяються на:
природні (біополімери), наприклад білки, нуклеїнові кислоти, природні смоли,
і синтетичнінаприклад, поліетилен, поліпропілен, феноло-формальдегідні смоли.
Атоми або атомні групи можуть розташовуватися в макромолекулі у вигляді:
відкритого ланцюга або витягнутої в лінію послідовності циклів ( лінійні полімери, наприклад натуральний каучук);
ланцюги з розгалуженням ( розгалужені полімери, наприклад, амілопектин),
тривимірної сітки ( зшиті полімерисітчастими, або просторовими, називаються полімери, побудовані з довгих ланцюгів, з'єднаних один з одним в тривимірну сітку поперечними хімічними зв'язками; наприклад затверджені епоксидні смоли). Полімери, молекули яких складаються з однакових мономерних ланок, називаються гомополімерами(наприклад, полівінілхлорид, полікапроамід, целюлоза).
Макромолекули одного і того ж хімічного складуможуть бути побудовані з ланок різної просторової конфігурації. Якщо макромолекули складаються з однакових стереоізомерів або різних стереоізомерів, що чергуються в ланцюгу в певній періодичності, полімери називаються стереорегулярними.
Полімери, макромолекули яких містять кілька типів мономерних ланок, називаються сополімерами.
Сополімери, в яких ланки кожного типу утворюють досить довгі безперервні послідовності, що змінюють один одного в межах макромолекули, називаються блоксополімерами.
До внутрішніх (некінцевих) ланок макромолекули одного хімічної будовиможуть бути приєднані один або кілька ланцюгів іншої будови. Такі кополімери називаються щепленими.
Полімери, в яких кожен або деякі стереоізомери ланки утворюють досить довгі безперервні послідовності, що змінюють один одного в межах однієї макромолекули, називаються стереоблоксополімерами.
Залежно від складу основного (головного) ланцюга полімери ділять на: гетероцепні, в основний ланцюг яких містяться атоми різних елементів, найчастіше вуглецю, азоту, кремнію, фосфору,
і гомоцепні, основні ланцюги яких побудовані з однакових атомів
З гомоланцюгових полімерів найбільш поширені карбоцепні полімери, головні ланцюги яких складаються тільки з атомів вуглецю, наприклад поліетилен, поліметилметакрилат, політетрафторзтилен.
Приклади гетероцепних полімерів - поліефіри (поліетилентерефталат, полікарбонати), поліаміди, сечовино-формальдегідні смоли, білки, деякі кремнійорганічні полімери.
Полімери, макромолекули яких поряд із вуглеводневими групами містять атоми неорганогенних елементів, називаються елементоорганічні. Окрему групу полімерів утворюють неорганічні полімери, наприклад, пластична сірка, поліфосфонітрилхлорид.
Найважливіші природні та штучні полімери. Біополімери.
Прикладами природних високомолекулярних сполук (біополімерів) можуть бути крохмаль і целюлоза, побудовані з елементарних ланок, що є залишками моносахариду (глюкози), а також білки, елементарні ланки яких є залишками амінокислот; сюди ж належать природні каучуки.
Нині створено дуже багато штучних полімерів. На основі їх одержують пластичні маси (пластмаси) - складні композиції, в які вводять різні наповнювачі та добавки, що надають полімерам необхідний комплекс технічних властивостей, - а також синтетичні волокна та смоли.
Поліетилен- полімер, що утворюється при полімеризації етилену, наприклад, при стиску його до 150 -250 МПа при 150-200 0 С (поліетилен високого тиску)
СН 2 =СН 2 + СН 2 =СН 2 + СН 2 =СН 2 → ... ─СН 2 ─СН 2 ─СН 2 ─СН 2 ─СН 2 ─СН 2 ─СН 2 ─...
поліетилен
або nСН 2 =СН 2 →(─СН 2 ─СН 2 ─) n
Поліетилен - граничний вуглеводень з молекулярною масою від 10 000 до 400 000. Він являє собою безбарвний напівпрозорий в тонких і білий в товстих шарах, воскоподібний, але твердий матеріал з температурою плавлення 110-125 0 С. Має високу .
Поліпропілен- полімер пропілену
n
СН 3 СН 3 СН 3
пропілен поліпропілен
Залежно від умов полімеризації отримують поліпропілен, що відрізняється структурою макромолекул, а. отже, і за властивостями. за зовнішньому виглядуце каучукоподібна маса, більш менш тверда і пружна. Відрізняється від поліетилену вищою температурою плавлення.
Полістирол
nСН 2 =СН → ─СН 2 ─СН─СН 2 ─СН─
З 6 Н 5 З 6 Н 5 З 6 Н 5
стирол полістирол
Полівінілхлорид
nСН 2 =СН → ─СН 2 ─СН─СН 2 ─СН─
вінілхлорид полівінілхлорид
Це еластична маса, дуже стійка до дії кислот та лугів.
Політетрафторетилен
nСF 2 =С F 2 → (─ СF─СF─) n
тетрафторетилен політетрафторетилен
Політетрафторетилен випускається у вигляді пластмаси, яка називається тефлоном, або фторопластом. Дуже стійок по відношенню до лугів і концентрованих кислот, за хімічною стійкістю перевершує золото та платину. Негорючий, має високі діелектричні властивості.
Каучуки- еластичні матеріали, з яких шляхом спеціальної обробки одержують гуму.
Натуральний (природний) каучукє високомолекулярним ненасиченим вуглеводнем, молекули якого містять велику кількість подвійних зв'язків, склад його може бути виражений формулою (С 6 Н 8) n(де величина nстановить від 1000 до 3000); він є полімером ізопрену:
nСН 2 =С─СН=СН 2 → ─ СН 2 ─С=СН─СН 2 ─
СН 3 СН 3 n
натуральний каучук (поліізопрен)
В даний час виробляється багато різних видівсинтетичних каучуків. Перший синтезований каучук (спосіб запропонований Лебедєвим С.В. 1928 р.) - полібутадієновий каучук:
nСН 2 =СН─СН=СН 2 → (─СН 2 ─СН=СН─СН 2 ─) n
