Методика исследования кинетики N-ацилирования

Слайд 1. Важность исследования реакционной способности аминокислот определяется большой распространенностью их в природе и широким применением в различных отраслях деятельности человека.

Аминокислоты представляют собой полифункциональные органические соединения, содержащие в структуре асимметрический атом углерода. Это позволяет рассматривать их в качестве уникального химического сырья для синтезов на их основе стереоизомеров разнообразных органических соединений.  Аминокислоты как структурные элементы белка и дипептиды, имеющие в составе молекулы пептидную связь, которая влияет на кислотно-основные функции концевых групп (-NH₂), (-COOH) в полипептидах, и на их реакционную способность. Кинетические исследования a-аминокислот в водно-органических растворителях играют важную роль в развитии технологии переработки нефти, горения топлива, синтеза высокомолекулярных веществ, различных косметических  и лекарственных препаратов, средств защиты растений, ПАВ.

На химическом отделении нашего факультета в течение ряда лет проводилось исследование реакционной способности a-аминокислот в бинарных водно-органических растворителях. Данная курсовая работа является продолжением этих исследований.

Слайд 2. Цель работы заключается в освоении методики исследования кинетики реакции N-ацилирования a-аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях

Исходя из поставленной цели, были определены задачи работы:

1. Сбор литературных данных по  исследованиям в данной области за последние годы;
2. Освоение методики исследования кинетики реакции N-ацилирования a-аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях спектрофотометрическим методом, а также познакомиться с методами очистки реагентов, методиой приготовления рабочих растворов заданной концентрации.

Слайд 3.

Аминокислоты – это большая  группа соединений, которые имеют  основную аминогруппу (первичную, вторичную  или третичную) и  кислотную карбоксильную  группу. Как известно в воде и смешанных водно-органических растворителях, в зависимости от  рН среды, аминокислоты существуют в неионизированной и в различных ионизированных формах, как показано на схеме на примере глицина:

                                                                                                                                                                                                      

                                                                            (II)

NH ⁺₃CH₂COO^-

 

                                                      К₁           -H⁺                     -H⁺              К₃

 

                  NH⁺₃CH₂COOH                         К_Z            NH₂CH₂COO^-                (1)

                           (I)                                                                   (IV)

                                       K₂       -H⁺                      -H⁺         K₄

 

NH₂CH₂COOH

                                                                (III)

 

где (I) и (IV) – катионная и анионная формы глицина, (II) и (III) – цвиттерионная и незаряженная соответственно.

Авторами была изучена кинетика N-ацилирования ряда a-аминокислот (АК) со сложными эфирами замещенных бензойных кислот (СЭ) в смешанных водно-органических растворителях при рН=8÷9 [1-8]. Ими показано, что в этих условиях реакционно-способной является анионная форма a-аминокислоты [1,2], а логарифм константы скорости реакции линейно зависит от их основности [3]. Причем в качестве параметра, определяющего реакционную способность аминокислоты можно использовать как основность аминокислот в воде [4], так и основность, полученную в том же смешанном водно-органическом растворителе, в каком проводились кинетические исследования [5]. 

 

Слайд 4

Экспериментальные данные, полученные для реакции 2,4-динитрофенилового  эфира с АК (таблица 1) были сопоставлены со справочными данными о константах диссоциации a-аминокислот в воде pKa(H₂O) [10] и растворителе вода (50 масс.%)-пропанол-2 pKa(S) [11].

Таблица 1

Значения констант скорости N-ацилирования АК  2,4-динитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода (50 масс.%) – пропанол-2 при 298К

 

АК	Gly	Ala	Val	Leu	Thr	Ser	Pro
kij, л/(моль×с)	1.74	0.48	0.41	0.40	0.19	0.15	10.3
pKa(H2O) [10]	9.88	9.87	9.72	9.74	9.11	9.21	10.64
pKa(S) [11]	9.98	10.06	9.87	10.25	9.75	10.0	10.92

 

10. С  правочник Химика т.3

11. Хрипкова  Л.Н. Термодинамика и кинетика  N-ацилирования a-аминокислот 4-нитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода–пропанол-2:  Автореф. дис…канд. хим. наук. Иваново, 2003. 16 с.

Авторы отмечают, что  предпочтение следует сделать в  пользу  использования pKa(H₂O) в качестве критерия, определяющего реакционную способность a-аминокислот в их реакции со сложными эфирами.

Как видно из таблицы 1, по реакционной способности изученные  АК можно расположить в следующий  ряд: Pro >> Gly > Ala > Val>Leu> Thr>Ser. пролин, глутаминовая кислота, аланин, валин, лейцин, треонин, серин

 

Слайд 5

 Рост константы скорости реакции при увеличении содержания воды в водно-органических растворителях авторы объясняют образованием реакционных комплексов a-аминокислот и эфира с молекулами воды посредством водородных связей (Н-комплексов).

Слайд 6

С целью установления закономерностей влияния строения сложного эфира (СЭ) на кинетику нами были синтезированы CЭ  с различными заместителями в бензольных кольцах СЭ и проведены кинетические исследования этих эфиров с  АК  в водно-органическом растворителе вода – 2-пропанол (1):

 

(1)

Здесь где R₁ – заместитель со стороны карбоксильной составляющей, R₂ – заместитель со стороны спиртовой составляющей сложного эфира; R – a-углеводородный радикал АК.

Кинетику реакции (1) изучали  спектрофотометрически по полосе поглощения выделяющегося в ходе реакции  фенолят-иона по методике использованной нами ранее при изучении реакционной способности АК [3]. Результаты кинетических измерений константы скорости k_0j СЭ (индекс j) c глицином (R=H и индекс i=0)  приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

Значения констант скорости k_0j реакции CЭ с глицином (R=H)

в растворителе вода (50 масс.%) – пропанол-2 при 298К

 

СЭ (s1+, Ss2-)	koj, л/моль×с	СЭ (s1+, Ss2-)	koj, л/моль×с
R1= H;  R2 = 2,4,6-(NO2)3 (0, 2.69)	21.5	R1= H;  R2 = 2,6-(NO2)2 (0, 1.6)	0.234
R1= H; R2 = 2,4-(NO2)2 (0, 2.07)	1.74	R1= H;  R2 =  4-NO2 (0, 1.27)	5.09×10-2
R1= H; R2 = 2,5-(NO2)2 (0, 1.51)	0.647	R1= H;  R2 = 2-NO2 (0, 0.8)	8.65×10-3
R1= 4-NO2;  R2 = 4-NO2 (0.79, 1.27)	0.629	R1= H;  R2 = 3-NO2 (0, 0.71)	2.29.10-3

 

Рис.4. Зависимость логарифма константы скорости глицина сложными эфирами: 2-НФЭБК, 4-НФЭ-4-НБК , 4-НФЭБК  и 2,4-ДНФЭБК в растворителе  вода – 2-пропанол

 

 

Слайд 8

Экспериментальная часть

 

Скорость N-ацилирования АК (ЧДА) определяется по изменению концентрации фенолят-иона спектрофотометрическим методом при рабочей длине волны 400 нм. Для измерений используют фотоэлектроколориметр КФК-2УХЛ 4.2 с термостатируемой кюветой и цифровой вольтметр Щ-300. Пропанол-2 (ХЧ) перегоняли на колонке. Для приготовления реакционных смесей использовали насыщенный раствор NaOH (ЧДА), концентрации АК составляли 0.05÷0.08 моль/л при соотношениях анионной и цвиттерионной форм 1:5 и 1:10 в зависимости от состава бинарного растворителя [1,3]. Наблюдаемую константу скорости реакции рассчитывают по методу Гуггенгейма [5.1, 5.2]. Константу скорости второго порядка (k) рассчитывают как отношение наблюдаемой константы скорости реакции к концентрации анионной формы аминокислоты. Погрешность в определении константы скорости составляла 2% при доверительной вероятности 0.95. Все фениловые эфиры синтезировали из бензоилхлорида и соответствующего нитрофенола при температуре 120°С. Очистку продуктов проводили перекристаллизацией из бензола и идентифицировали по температуре плавления [10].

 

Выводы.

1. Сбор литературных данных по  исследованиям в данной области за последние годы;
2. Освоена методика исследования кинетики реакции N-ацилирования                    a-аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях спектрофотометрическим методом, а также были усвоены методы очистки реактивов, способ приготовления концентрированного раствора щелочи бескарбонатным методом, рабочего раствора аминокислоты заданной концентрации в бинарном водно-органическом растворителе.