Освоение методики исследования кинетики реакции N-ацилирования α-аминокислот сложным эфиром в водно-органическом растворителе

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный  университет

 

Биолого-химический факультет

Кафедра неорганической и  аналитической химии

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

На тему:  Освоение методики исследования кинетики реакции

 N-ацилирования α-аминокислот сложным эфиром

 в водно-органическом растворителе

 

 

Выполнила студентка 4 курса

Биолого-химического  факультета

 Киселёва  Н.А.     ___________________________________      

 Научный  руководитель     к.х.н., доц. Дорофеева Ю.С.  

 

 Зав. кафедрой                                                        д.х.н., проф. Сырбу С.А.

 

 

 

Иваново 2013г

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………….…3

1. Обзор литературы ………………………………………………………..5

1.1. Влияние строения  аминосоединений на скорость реакции……….…...5

1.2. Влияние растворителя на кинетику ацилирования   аминосоединений…………………………………………………………….16      

1.3. О механизме реакции ацилирования аминокислот…….……………...24

     II.  Экспериментальная часть………………………...…………………..32

     2.1. Очистка реагентов и растворителей…………………………………....32

2.2. Спектрофотометрический  метод определения констант скорости  реакции N-ацилирования  α-аминокислот сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах……………………………………..34

2.3. Приготовление  рабочих растворов……………………………………..37

2.4. Методика  кинетических измерений N-ацилирования  α-аминокислот       сложными фениловыми эфирами в водно-органических средах………....38

2.5. Методика  обработки кинетических измерений……………..…………40

2.6. Расчет активационных параметров…………………………………......41

Выводы……..………………………………………………………………...42

Список  литературы…………………………………………………………43

 

Введение

В настоящее  время наблюдается интерес к  процессам, протекающим в природе. Большинство реакций, протекающих  в организме идут с участием α-аминокислот. В живых организмах аминокислоты выполняют множество функций: являются структурными элементами пептидов и белков, переносчиками сигналов; производные аминокислот входят в состав коферментов, желчных кислот, антибиотиков [1]. Многие аминокислоты принимают участие в обмене веществ, например, служат донорами азота.

Некоторые из аминокислот  не могут синтезироваться в организме  человека и должны поступать вместе с пищей. Это незаменимые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин, лизин). Избирательность их действия указывает на то, что подбирая соответствующим образом аминокислотные производные по длине углеводородной цепи, структуре заместителей и учитывая природу среды, можно регулировать характер и интенсивность воздействия этих веществ на свойства различных систем.

Наличие в молекулах  α-аминокислот двух функциональных групп, способных к кислотно-основному  взаимодействию, влияет на кинетику реакций  с их участием. Кинетические исследования α-аминокислот в бинарных водно-органических растворителях имеют важное значение при объяснении механизмов протекания реакций в биологических системах, при выборе оптимальных условий для синтеза различных веществ в реакциях ацильного переноса.

Изучение природы  взаимодействий в растворах биомолекул и их модельных соединений является актуальной задачей, так как особенности сольватации простых структурных элементов (аминокислот и пептидов) во многом определяют сольватацию и биологическую активность более сложных биосистем. Органические растворители (ацетон, спирты и др.), используемые в работе, присутствуют в той или иной мере в живых организмах и могут существенно изменять свойства растворов белковых молекул.

Цель данной работы заключается в освоении методики изучения кинетики  реакции  N – ацилирования a-аминокислоты сложным эфиром в водно-органическом растворителе.  Исходя из поставленной цели, были определены задачи работы:

• Произвести обзор литературы по изучению кинетики реакции N-ацилирования α-аминокислот сложным эфиром в водно-органических растворителях.
• Освоить методику исследования кинетики реакции N-ацилирования a-аминокислот сложным эфиром в водно-органических растворителях спектрофотометрическим методом, а также познакомиться с методами очистки реагентов, методикой приготовления  рабочих растворов заданной концентрации.

 

I. Обзор литературы

1.1. Влияние строения  аминосоединений на скорость  реакции

 

Все a-аминокислоты можно рассматривать как производные аминоуксусной кислоты, в которой водород при a-углеродном атоме замещен на заместитель (R), который может иметь различное строение [2].

a-Аминокислоты являются амфотерными веществами, имеющими как основную (-NH₂), так и кислотную (-СООН) группы. В сильно кислых растворах протонируется и карбоксильная, и аминогруппы, и аминокислоты существуют в виде катионов. В сильно щелочных средах аминокислоты заряжены отрицательно в результате депротонирования (СООН-) и (NH₂-) групп, и существуют в виде анионов. В растворах, аминокислоты могут присутствовать в четырех формах, находящихся в равновесии, как показано в уравнении (1.1.1) [3-4]:

(1.1.1)

где (I) и (IV) – катионная и анионная формы аминокислоты;

      (II) и (III) – незаряженная и цвиттерионная соответственно.

Однако a-аминокислоты не являются обычными амфолитами, поскольку при промежуточных значениях рН обе функциональные группы у большинства молекул полностью ионизированы, т.е. a-аминокислоты при рН=6¸7 находятся в основном в цвиттерионной форме (III) [5].

Ацилирование  α-аминокислот ангидридами, хлорангидридами  и сложными эфирами карбоновых кислот относится к реакциям нуклеофильного замещения у карбонильного атома  углерода, которые в общем виде могут быть выражены уравнением (1.1.2): 

 

   

(1.1.2)   

 где R₁, R₂ -  атом или группы атомов, связанные функциональными группами реагентов, принимающие участие в реакции. X – уходящая группа, S – растворитель, T – температура.

В ходе протекания реакции образуется амидная связь  (N-C) и разрываются связи (N-H) в амине и (C-X) в ацилирующем агенте.

Данный тип  реакции, с образованием амидной связи (N-C), лежит в основе синтеза термостойких полиамидов, органических красителей, лекарственных препаратов и биологически активных веществ. В частности, реакция взаимодействия ариламинов с ангидридами карбоновых кислот может служить моделью первой стадии синтеза полиимидов, которые благодаря высокой прочности, термостойкости, избирательной растворимости в органических растворителях и другим ценным эксплуатационным свойствам находят широкое применение в автомобилестроении, строительстве, электротехнике и других областях.

Кинетические  закономерности образования амидной  связи в реакции ароматических аминов с хлорангидридами карбоновых кислот систематически начали изучаться с 1934 года в работах Гиншельвуда с сотрудниками [6-8]. Было исследовано влияние природы некоторых растворителей (гексана, четыреххлористого углерода, ацетонитрила и нитробензола) на скорость реакции анилина с бензоилхлоридом, влияние заместителей в моно- и дизамещенных анилинах на их реакционную способность. Впервые было показано, что энтропия активации изученных реакций практически не зависит от природы заместителей в амине. В последующие годы  существенный вклад в изучение кинетики реакции ацилирования аминосоединений был внесен трудами Литвиненко Л.М., Олейника Н.М., Попова А.Ф., Савеловой В.А. и других авторов Донецкой школы ученых   [9,11-15], а также работами Воробьева Н.К. и Курицына Л.В. с соавторами [16-18,36, 44].

Основными факторами, определяющими скорость реакций, протекающих  в растворах, являются структура  реагентов, природа среды, в которой  протекает реакция, и температура, поэтому необходимо оставаться на особенностях влияния указанных факторов на кинетику реакции ацилирования аминосоединений в водно-органических растворителях.

Скорость реакции  ацилирования аминосоединений производными карбоновых кислот сильно зависит от строения аминосоединения. Следует  отметить, что основным фактором, определяющим реакционную способность аминов, является их основность. С ростом основности амина растет и его реакционная способность. Основность алифатических аминов больше основности, например, анилина на пять порядков. Приблизительно на пять порядков больше и константа скорости ацилирования алифатических аминов одним и тем же ацилирующим агентом в одном и том же растворителе [36].

Рядом авторов [20,22,23] показано, что скорость реакции  монозамещенных анилинов с хлорангидридами и ангидридами карбоновых кислот увеличивается с ростом основности (pK_a) аминов независимо от природы растворителя.

В литературе имеется  незначительное количество работ, посвященных  непосредственно проблемам N-ацилирования α-аминокислот. Это на наш взгляд, связано с некоторыми экспериментальными трудностями. Изучению реакции N-ацилирования α-аминокислот препятствует практически полная нерастворимость α-аминокислот в большинстве органических растворителей, высокие скорости ацилирования аминогруппы, связанной с алифатическим радикалом, а также высокая скорость гидролиза ацилирующих агентов при проведении в воде и водно-органических средах при pH>9.

Ранее была изучена  реакция N-ацилирования α-аминокислот N-ацетилоксисукцинимидом в воде. Полученные авторами [34] значения констант скорости приводятся в таблице (1.1.1):

Таблица 1.1.1                                                                          

Константы скорости реакции с N-ацетилоксисукцинимидом

в воде  при pH=pK_a – 1; 298К

α-Аминокислота	pKa	k, л(моль∙с) -1	α-Аминокислота	pKa	k, л(моль∙с) -1
Asp	8,80	1,74	DL-Thr	9.62	8.51
Phe	9.13	3.89	L-Val	9.62	10.2
L-Ser	9.15	4.17	Ile	9.68	11.7
Met	9.21	5.57	DL-α-Ala	9.69	10.0
Gly	9.60	33.1	L-Pro	10.60	47.9
DL-Leu	9.60	8.51	Gly-Gly	8.17	2.09

 

Кинетика данной реакции изучалась при pH = pK_a - 1, где K_a - константа диссоциации исследуемой кислоты.

Авторами данных исследований установлено существование  линейной зависимости между lgk и pH с угловым коэффициентом - (-1,0). Показано, что lgk коррелирует с основностью аминокислоты. Угловой коэффициент этой зависимости - (0,7). На основании полученных результатов авторы [35] сделали вывод о механизме реакции, который включает нуклеофильную атаку свободной аминогруппы на карбонильный углерод. Следует отметить, что в данной работе определены эффективные константы скорости, т.к. не учитывалось кислотно-основное взаимодействие α-аминокислот. Эксперимент проводился при pH=pK_a - 1. Полученные значения k отражают соотношение констант скорости ацилирования различных α-аминокислот.            

         Авторами работ [25-32] были выполнены исследования реакционной способности ряда a-аминокислот и дипептидов в растворителе вода-диоксан (DL-a-аланина, L-валина, DL-валина, DL-лейцина и др.). Показано, что ионные равновесия a-аминокислот оказывают сильное влияние на скорость их ацилирования, являясь своеобразными «чувствительными регуляторами» процесса. Показано, что с увеличением содержания воды в водно-диоксановом растворителе эффективная константа скорости ацилирования

a-аминокислот бензоилхлоридом растет, а константа скорости ацилирования анионных форм a-аминокислот, наоборот, уменьшается. Авторами также показано, что a-аминокислоты не катализируют гидролиз бензоилхлорида в водно-диоксановой среде, что позволяет получать надежные кинетические данные N-ацилирования a-аминокислот. В работе [35] из данных кинетических исследований ряда a-аминокислот бензоилхлоридом в водном диоксане авторами даются следующие выводы:

- кислотно-основное равновесие  в растворе a-аминокислот оказывает существенное влияние на скорость N-ацилирования. (При рН = 6,5 константа N-ацилирования меньше константы скорости реакции » в 10⁴ раз. Увеличение эффективной энергии активации Е₁ по сравнению с энергией активации Е_а повышает чувствительность скорости реакции к изменению температуры и замедляет процесс N-ацилирования a-аминокислот);

- непротонированная аминогруппа a-аминокислот обладает высокой реакционной способностью, сравнимой с реакционной способностью алифатических аминов;

-  константа скорости изученных дипептидов существенно меньше констант скоростей соответствующих a-аминокислот, что можно объяснить меньшей основностью дипептидов и существованием конформаций, способных к образованию внутримолекулярных ионных пар.