20.4: Аміни та аміди

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22436

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть будову і властивості аміну
Опишіть структуру і властивості аміду

Аміни - це молекули, які містять вуглець-азотні зв'язки. Атом азоту в аміні має одиничну пару електронів і три зв'язку з іншими атомами, або вуглецем, або воднем. Різні номенклатури використовуються для отримання імен для амінів, але всі вони включають суфікс, що ідентифікує клас —ine, як показано тут для кількох простих прикладів:

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\)) є одним з таких гетероциклічних амінів. Гетероциклічна сполука містить атоми двох і більше різних елементів в своїй кільцевій структурі.

ДНК у криміналістиці та батьківстві

Генетичний матеріал для всього живого являє собою полімер з чотирьох різних молекул, які самі по собі є поєднанням трьох субодиниць. Генетична інформація, код розвитку організму, міститься в конкретній послідовності чотирьох молекул, подібно до того, як букви алфавіту можуть бути послідовні для формування слів, що передають інформацію. Інформація в послідовності ДНК використовується для формування двох інших типів полімерів, одним з яких є білки. Білки взаємодіють, утворюючи певний тип організму з індивідуальними особливостями.

Генетична молекула називається ДНК, яка розшифровується як дезоксирибонуклеїнова кислота. Чотири молекули, що входять до складу ДНК, називаються нуклеотидами. Кожен нуклеотид складається з одно- або двокільцевої молекули, що містить азот, вуглець, кисень і водень, званий азотистою основою. Кожна основа пов'язана з п'ятивуглецевим цукром під назвою дезоксирибоза. Цукор, в свою чергу, пов'язаний з фосфатною групою\(\ce{(−PO4^3- )}\) При створенні нової ДНК відбувається реакція полімеризації, яка зв'язує фосфатну групу одного нуклеотиду з цукровою групою другого нуклеотиду. З цього цукрово-фосфатного хребта стирчать азотисті підстави кожного нуклеотида. ДНК фактично утворюється з двох таких полімерів, згорнутих один навколо одного і скріплених водневими зв'язками між азотистими основами. Таким чином, дві магістралі знаходяться на зовнішній стороні накрученої пари пасом, а підстави - з внутрішньої сторони. Форма двох пасом, накручених один на одного, називається подвійною спіраллю (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Ймовірно, має сенс, що послідовність нуклеотидів в ДНК кішки відрізняється від послідовності у собаки. Але вірно і те, що послідовності ДНК в клітині двох окремих мопсів відрізняються. Так само послідовності ДНК у вас та брата та сестри відрізняються (якщо ваш брат не є ідентичним близнюком), як і між вами та неспорідненою особою. Однак послідовності ДНК двох споріднених осіб більш схожі, ніж послідовності двох неспоріднених осіб, і ці подібності в послідовності можуть спостерігатися різними способами. Це принцип, що лежить в основі відбитків пальців ДНК, який є методом, який використовується для визначення того, чи два зразки ДНК надходили від споріднених (або однакових) осіб або непов'язаних осіб.

Використовуючи подібність в послідовності, техніки можуть визначити, чи є чоловік батьком дитини (особистість матері рідко викликає сумніви, за винятком прийомної дитини і потенційної народженої матері). Так само судові генетики можуть визначити, чи містить зразок людської тканини на місці злочину, наприклад крові або клітин шкіри, ДНК, яка точно відповідає ДНК підозрюваного.

Як і аміак, аміни є слабкими основами завдяки одинокій парі електронів на їх атомах азоту:

альт

Основність атома азоту аміну відіграє важливу роль у більшій частині хімії сполуки. Функціональні групи амінів містяться в найрізноманітніших сполуках, включаючи природні та синтетичні барвники, полімери, вітаміни та ліки, такі як пеніцилін та кодеїн. Вони також містяться у багатьох молекулах, необхідних для життя, таких як амінокислоти, гормони, нейромедіатори та ДНК.

Алкалоїди звикання

З давніх часів рослини використовували в лікувальних цілях. Один клас речовин, званий алкалоїдами, виявлений у багатьох з цих рослин, був виділений і виявлений, що містить циклічні молекули з амінною функціональною групою. Ці аміни є основами. Вони можуть вступати в реакцію з Н ₃ О ⁺ в розведеній кислоті з утворенням амонійної солі, і це властивість використовується для їх вилучення з рослини:

\[\ce{R3N + H3O+ + Cl- ⟶[R3NH+]Cl- + H2O} \nonumber \]

Назва алкалоїд означає «як луг». Таким чином, алкалоїд вступає в реакцію з кислотою. Вільне з'єднання може бути відновлено після екстракції шляхом реакції з основою:

\[\ce{[R3NH+]Cl- + OH- ⟶R3N + H2O + Cl-} \nonumber \]

Структури багатьох природних алкалоїдів мають глибокі фізіологічні та психотропні ефекти на людину. Приклади цих препаратів включають нікотин, морфін, кодеїн та героїн. Рослина виробляє ці речовини, в сукупності називаються вторинними рослинними сполуками, як хімічний захист від численних шкідників, які намагаються харчуватися рослиною:

Аміди - це молекули, які містять атоми азоту, з'єднані з атомом вуглецю карбонільної групи. Як і аміни, для назви амідів можуть використовуватися різні правила номенклатури, але всі включають використання специфічного для класу суфікса -аміду:

альт

Аміди можуть утворюватися, коли карбонові кислоти реагують з амінами або аміаком у процесі, який називається амідацією. З реакції виводиться молекула води, а амід утворюється з решти шматочків карбонової кислоти і аміну (зверніть увагу на схожість з утворенням складного ефіру з карбонової кислоти і спирту, розглянутого в попередньому розділі):

альт

Реакція між амінами і карбоновими кислотами з утворенням амідів є біологічно важливою. Саме завдяки цій реакції амінокислоти (молекули, що містять як амін, так і замінники карбонової кислоти) з'єднуються між собою в полімері з утворенням білків.

Білки і ферменти

Білки - це великі біологічні молекули, що складаються з довгих ланцюгів менших молекул, званих амінокислотами. Організми покладаються на білки для різних функцій - білки транспортують молекули через клітинні мембрани, реплікують ДНК та каталізують метаболічні реакції, щоб назвати лише деякі з їх функцій. Властивості білків - це функції поєднання амінокислот, які їх складають і можуть сильно відрізнятися. Взаємодії між амінокислотними послідовностями в ланцюгах білків призводять до згортання ланцюга в специфічні, тривимірні структури, що визначають активність білка.

Амінокислоти - це органічні молекули, які містять амінну функціональну групу (—NH ₂), функціональну групу карбонових кислот (—COOH) та бічний ланцюг (специфічну для кожної окремої амінокислоти). Більшість живих істот будують білки з тих же 20 різних амінокислот. Амінокислоти з'єднуються утворенням пептидного зв'язку, що представляє собою ковалентний зв'язок, що утворюється між двома амінокислотами, коли група карбонових кислот однієї амінокислоти вступає в реакцію з амінною групою іншої амінокислоти. Утворення зв'язку призводить до вироблення молекули води (в загальному випадку реакції, що призводять до виробництва води при об'єднанні двох інших молекул, називаються реакціями конденсації). Отримана зв'язок - між атомом вуглецю карбонільної групи та атомом азоту аміну називається пептидною ланкою або пептидним зв'язком. Оскільки кожна з вихідних амінокислот має нереакційну групу (одна має не прореагував амін, а інша - не прореагувала карбонова кислота), з іншими амінокислотами може утворюватися більше пептидних зв'язків, що розширюють структуру. (Малюнок\(\PageIndex{4}\)) Ланцюжок з'єднаних амінокислот називається поліпептидом. Білки містять щонайменше одну довгу поліпептидну ланцюг.

Ферменти - це великі біологічні молекули, в основному складаються з білків, які відповідають за тисячі обмінних процесів, що відбуваються в живих організмах. Ферменти є високоспецифічними каталізаторами, вони прискорюють швидкість певних реакцій. Ферменти функціонують за рахунок зниження енергії активації реакції, яку вони каталізують, що може різко збільшити швидкість реакції. Більшість реакцій, каталізованих ферментами, мають швидкості, які в мільйони разів швидше, ніж некаталізована версія. Як і всі каталізатори, ферменти не витрачаються під час реакцій, які вони каталізують. Ферменти відрізняються від інших каталізаторів тим, наскільки вони специфічні для своїх субстратів (молекул, які фермент перетворить в інший продукт). Кожен фермент здатний лише прискорити одну або кілька дуже специфічних реакцій або типів реакцій. Оскільки функція ферментів настільки специфічна, відсутність або збої в роботі ферменту може призвести до серйозних наслідків для здоров'я. Одне захворювання, яке є результатом збою ферменту, є фенілкетонурія. При цьому захворюванні фермент, який каталізує перший крок деградації амінокислоти фенілаланін, не є функціональним (рис.\(\PageIndex{5}\)). Без лікування це може призвести до накопичення фенілаланіну, що може призвести до інтелектуальних порушень.

Кевлар

Кевлар (рис.\(\PageIndex{6}\)) - синтетичний полімер, виготовлений з двох мономерів 1,4-фенілен-діаміну і терефталоїлхлориду (Кевлар є зареєстрованою торговою маркою DuPont). Перше комерційне використання Кевлара було в якості заміни сталі в гоночних покришках. Кевлар зазвичай закручується в мотузки або волокна. Матеріал має високе співвідношення міцності на розрив до ваги (воно приблизно в 5 разів міцніше рівної ваги сталі), що робить його корисним для багатьох застосувань від велосипедних шин до вітрил до бронежилетів.

Матеріал значною мірою зобов'язаний своєю міцністю водневим зв'язкам між полімерними ланцюгами (поверніться до глави про міжмолекулярні взаємодії). Ці зв'язки утворюються між атомом кисню карбонільної групи (який має частковий негативний заряд завдяки електронегативності кисню) на одному мономері та частково позитивно зарядженим атомом водню в зв'язці N—H сусіднього мономера в структурі полімеру (пунктирні лінії на рисунку\(\PageIndex{7}\)). Існує додаткова сила, отримана від взаємодії між негібридизованими p орбіталями в шестичленних кільцях, що називається ароматичним укладанням.

Кевлар може бути найвідомішим як компонент бронежилетів, бойових шоломів та масок для обличчя. З 1980-х років американські військові використовували кевлар як компонент PASGT (система особистої броні для сухопутних військ) шолом і жилет. Кевлар також використовується для захисту бойових броньованих машин і авіаносців. Цивільне застосування включає захисне спорядження для персоналу аварійної служби, такі як бронежилет для поліцейських та термостійкий одяг для пожежників. Одяг на основі кевлара значно легше і тонше, ніж еквівалентна передача, виготовлена з інших матеріалів (рис.\(\PageIndex{8}\)).

На додаток до більш відомих застосувань, кевлар також часто використовується в кріогеніці завдяки дуже низькій теплопровідності (поряд з високою міцністю). Кевлар зберігає свою високу міцність при охолодженні до температури рідкого азоту (—196° C).

Таблиця тут узагальнює структури, розглянуті в цьому розділі:

альт

Резюме

Додавання азоту в органічний каркас призводить до двох сімейств молекул. Сполуки, що містять атом азоту, пов'язаний у вуглеводневому каркасі, класифікуються як аміни. Сполуки, які мають атом азоту, пов'язаний з однією стороною карбонільної групи, класифікуються як аміди. Аміни - основна функціональна група. Аміни та карбонові кислоти можуть поєднуватися в реакції конденсації з утворенням амідів.

Глосарій

амін: органічна молекула, в якій атом азоту пов'язаний з однією або декількома алкільною групою

амід: органічна молекула, яка містить атом азоту, з'єднаний з атомом вуглецю в карбонільній групі