Тема «Аминокислоты и белки» часто вызывает затруднения из-за проявления свойств и карбоновых кислот, и аминов. Разберём необходимую для экзамена теорию, алгоритмы реакций и типичные структурные ошибки. Изучив этот материал, ты научишься составлять уравнения образования пептидов и сможешь уверенно решать органические цепочки.
В каких заданиях ЕГЭ встречается тема
Знание аминокислот и белков необходимо для успешного выполнения целого ряда заданий:
- Задание 10: классификация органических веществ, где требуется опознать аминокислоты среди других структур.
- Задание 11: теория строения органических соединений, виды изомерии.
- Задание 13: химические свойства азотсодержащих соединений. Здесь часто просят выбрать вещества, с которыми реагирует глицин или аланин.
- Задания 16 и 32: органические цепочки превращений. В них встречаются реакции получения аминокислот из галогенкарбоновых кислот и реакции образования солей.
- Задание 33: задача на вывод формулы органического вещества. По массовым долям часто загадывают соли аминокислот или их сложные эфиры.
Теоретическая база: строение, изомерия и свойства
Аминокислоты — это органические амфотерные соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют две функциональные группы: аминогруппа $-NH_2$ и карбоксильная группа $-COOH$.
Общая формула предельных одноосновных аминокислот выглядит так:
$C_nH_{2n+1}NO_2$
Для сдачи экзамена нужно обязательно знать тривиальные названия и структурные формулы двух главных представителей:
- $NH_2-CH_2-COOH$ (аминоуксусная кислота, глицин).
- $NH_2-CH(CH_3)-COOH$ (2-аминопропановая кислота, $\alpha$-аланин).
Особенности строения и физические свойства
В твёрдом состоянии и в водных растворах аминокислоты существуют в виде биполярного иона (цвиттер-иона).
Водород от карбоксильной группы переходит к аминогруппе, образуя внутреннюю соль:
$NH_3^+-CH_2-COO^-$
Поэтому физические свойства аминокислот напоминают свойства неорганических солей. Они представляют собой твёрдые кристаллические вещества, которые хорошо растворяются в воде и имеют высокие температуры плавления.
Виды изомерии аминокислот
| Вид изомерии | Суть явления | Пример |
|---|---|---|
| Изомерия углеродного скелета | Изменение строения углеродной цепи. | 2-аминобутановая кислота и 2-амино-2-метилпропановая кислота. |
| Изомерия положения функциональных групп | Перемещение аминогруппы ($\alpha,\, \beta,\, \gamma$) относительно карбоксильной группы. | 2-аминобутановая кислота ($\alpha$) и 3-аминобутановая кислота ($\beta$). |
| Межклассовая изомерия | Соединения имеют одинаковую молекулярную формулу, но относятся к разным классам. | Аминокислоты изомерны сложным эфирам аминокислот и нитроалканам (глицин изомерен нитроэтану). |
Химические свойства аминокислот
Аминокислоты сочетают свойства кислот и оснований. Разберём химические реакции на примерах глицина и аланина.
Реакции по карбоксильной группе
Карбоксильная группа позволяет аминокислоте реагировать с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, а также с основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот.
Реакции с металлами
$2NH_2-CH_2-COOH + 2Na \rightarrow 2NH_2-CH_2-COONa~\text{(глицинат натрия)} + H_2 \uparrow$
$2NH_2-CH(CH_3)-COOH + 2K \rightarrow 2NH_2-CH(CH_3)-COOK~\text{(аланинат калия)} + H_2 \uparrow$
Реакции с оксидами металлов
$2NH_2-CH_2-COOH + CuO \rightarrow (NH_2-CH_2-COO)_2Cu + H_2O$
$2NH_2-CH(CH_3)-COOH + BaO \rightarrow (NH_2-CH(CH_3)-COO)_2Ba + H_2O$
Реакции с основаниями (реакция нейтрализации)
$NH_2-CH_2-COOH + NaOH \rightarrow NH_2-CH_2-COONa + H_2O$
$2NH_2-CH(CH_3)-COOH + Ca(OH)_2 \rightarrow (NH_2-CH(CH_3)-COO)_2Ca + 2H_2O$
Реакции с солями слабых или летучих кислот
$NH_2-CH_2-COOH + NaHCO_3 \rightarrow NH_2-CH_2-COONa + CO_2 \uparrow + H_2O$
$2NH_2-CH(CH_3)-COOH + K_2CO_3 \rightarrow 2NH_2-CH(CH_3)-COOK + CO_2 \uparrow + H_2O$
Реакция этерификации (образование сложных эфиров)
Протекает при нагревании в присутствии сильной неорганической кислоты (например, сухого хлороводорода). Кислота выступает катализатором процесса.
$NH_2-CH_2-COOH + CH_3OH \rightleftarrows NH_2-CH_2-COOCH_3 + H_2O$
(метиловый эфир аминоуксусной кислоты)
$NH_2-CH(CH_3)-COOH + C_2H_5OH \rightleftarrows NH_2-CH(CH_3)-COOC_2H_5 + H_2O$
Реакции по аминогруппе
Аминогруппа имеет неподелённую электронную пару на атоме азота, что позволяет ей присоединять катион водорода ($H^+$) и проявлять основные свойства.
Реакции с кислотами (образование солей по аминогруппе)
$NH_2-CH_2-COOH + HCl \rightarrow [NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^-$
(хлорид глициния)
$NH_2-CH_2-COOH + HNO_3 \rightarrow [NH_3-CH_2-COOH]^+NO_3^-$
(нитрат глициния)
$2NH_2-CH(CH_3)-COOH + H_2SO_4 \rightarrow ([NH_3-CH(CH_3)-COOH]^+)_2SO_4^{2-}$
(сульфат аланиния)
Алкилирование галогеналканами
Реакция позволяет получать соли вторичных и третичных аминокислот.
$NH_2-CH_2-COOH + CH_3Cl \rightarrow [CH_3-NH_2-CH_2-COOH]^+Cl^-$
(аминогруппа связывает хлороводород в соль)
$NH_2-CH(CH_3)-COOH + CH_3Br \rightarrow [CH_3-NH_2-CH(CH_3)-COOH]^+Br^-$
Реакция с азотистой кислотой (качественная реакция на первичную аминогруппу)
Аминокислоты реагируют с неустойчивой азотистой кислотой ($HNO_2$) с выделением газообразного азота. Аминокислота превращается в гидроксикислоту.
$NH_2-CH_2-COOH + HNO_2 \rightarrow HO-CH_2-COOH + N_2 \uparrow + H_2O$
(гликолевая кислота)
$NH_2-CH(CH_3)-COOH + HNO_2 \rightarrow HO-CH(CH_3)-COOH + N_2 \uparrow + H_2O$
(молочная кислота)
Поликонденсация аминокислот
Молекулы аминокислот способны реагировать друг с другом, отщепляя молекулу воды. Образующаяся связь $-CO-NH-$ называется пептидной связью. Продукт из двух аминокислот называется дипептидом, из трёх соединений — трипептидом и так далее.
При записи реакции поликонденсации от карбоксильной группы отрывается гидроксогруппа $-OH$, а от аминогруппы отрывается атом водорода $-H$.
$NH_2-CH_2-COOH + NH_2-CH(CH_3)-COOH \rightarrow NH_2-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + H_2O$
(дипептид глицилаланин)
$NH_2-CH(CH_3)-COOH + NH_2-CH_2-COOH \rightarrow NH_2-CH(CH_3)-CO-NH-CH_2-COOH + H_2O$
(дипептид аланилглицин)
$NH_2-CH_2-COOH + NH_2-CH_2-COOH \rightarrow NH_2-CH_2-CO-NH-CH_2-COOH + H_2O$
(глицилглицин)
$NH_2-CH_2-COOH + NH_2-CH(CH_3)-COOH \rightarrow NH_2-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + 2H_2O$
(глицилаланилаланин)
Горение аминокислот
Все органические азотсодержащие вещества горят с образованием углекислого газа, воды и молекулярного азота.
$4NH_2-CH_2-COOH + 9O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O + 2N_2$
$4NH_2-CH(CH_3)-COOH + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 14H_2O + 2N_2$
Свойства солей аминокислот
Соли аминокислот вступают в реакции ионного обмена. При добавлении сильной щёлочи к соли по аминогруппе происходит нейтрализация. При добавлении избытка щёлочи реакция затрагивает и карбоксильную группу.
Такие процессы часто составляют основу цепочек превращений в задании 32.
Действие щелочей на хлорид глициния:
$[NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^- + NaOH~\text{(недостаток)} \rightarrow NH_2\text{-CH}_2-COOH + NaCl + H_2O$
$[NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^- + 2NaOH~\text{(избыток)} \rightarrow NH_2-CH_2-COONa + NaCl + 2H_2O$
Действие сильных кислот на глицинат натрия:
$NH_2-CH_2-COONa + HCl~\text{(недостаток)} \rightarrow NH_2-CH_2-COOH + NaCl$
$NH_2-CH_2-COONa + 2HCl~\text{(избыток)} \rightarrow [NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^- + NaCl$
Способы получения аминокислот
Получение через $\alpha$-галогенкарбоновые кислоты
При воздействии избытка аммиака на $\alpha$-галогенкарбоновую кислоту образуется аминокислота и хлорид аммония как побочный продукт.
$Cl-CH_2-COOH + 2NH_3 \rightarrow NH_2-CH_2-COOH + NH_4Cl$
$CH_3-CHBr-COOH + 2NH_3 \rightarrow NH_2-CH(CH_3)-COOH + NH_4Br$
Кислотный и щелочной гидролиз пептидов
Гидролиз пептидов в присутствии кислоты или щёлочи не даёт свободной аминокислоты. В кислой среде образуются соли по аминогруппе, в щелочной — соли по карбоксильной группе.
Кислотный гидролиз дипептида:
$NH_2-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + H_2O + 2HCl \rightarrow [NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^- + [NH_3-CH(CH_3)-COOH]^+Cl^-$
Щелочной гидролиз дипептида:
$NH_2-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + 2NaOH \rightarrow NH_2-CH_2-COONa + NH_2-CH(CH_3)-COONa + H_2O$
Гидролиз сложных эфиров аминокислот
Сложноэфирная связь разрушается, аминогруппа или карбоксильная группа реагирует со средой.
$NH_2-CH_2-COOCH_3 + H_2O + HCl \rightarrow [NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^- + CH_3OH$
$NH_2-CH_2-COOCH_3 + NaOH \rightarrow NH_2-CH_2-COONa + CH_3OH$
Общие представления о белках
Белки — это природные высокомолекулярные соединения, состоящие из остатков $\alpha$-аминокислот, соединённых пептидными связями.
Аминокислотная последовательность описывается через четыре уровня структуры:
- Первичная структура: последовательность аминокислот, связанная прочными пептидными связями.
- Вторичная структура: скручивание полипептидной цепи в $\alpha$-спираль или $\beta$-складчатый лист за счёт возникновения водородных связей между группами $-NH-$ и $-CO-$.
- Третичная структура: пространственная укладка (глобула), которая поддерживается дисульфидными мостиками ($-S-S-$), ионными связями и гидрофобными взаимодействиями.
- Четвертичная структура: объединение нескольких белковых молекул в единый комплекс (например, гемоглобин).
Разрушение структуры белка вплоть до первичной называется денатурацией. Она вызывается нагреванием, кислотами, радиацией. Если разрушается и первичная структура, процесс называется гидролизом.
Качественные реакции на белки
| Реагент/реакция | Суть и видимый признак | Что обнаруживает |
|---|---|---|
| Биуретовая реакция ($Cu(OH)_2$ в щелочной среде) | Образование раствора яркого фиолетового цвета. | Пептидные связи (наличие белка). |
| Ксантопротеиновая реакция (концентрированная $HNO_3$) | Появление жёлтого окрашивания (при добавлении щёлочи переходит в оранжевое). | Ароматические кольца аминокислот (фенилаланин, тирозин) в составе белка. |
| Реакция с ацетатом свинца (II) при нагревании в щёлочи | Выпадение чёрного осадка сульфида свинца ($PbS$). | Серосодержащие аминокислоты (цистеин) в белке. |
Разбор типичных заданий ЕГЭ
Пример № 1. Задание 11
Из предложенного перечня выберите два вещества, для которых характерна изомерия по расположению функциональных групп.
- Глицин.
- Аланин.
- Анилин.
- Аминоуксусная кислота.
- 3-Аминопропановая кислота.
Изомерия положения функциональной группы возможна, если цепь атомов углерода позволяет переместить эту группу на разные позиции. В глицине (содержит 2 атома углерода) аминогруппа может быть только у альфа-атома. У производных пропановой кислоты (3 атома углерода) аминогруппа может стоять во 2-м или 3-м положении. Аланин (2-аминопропановая кислота) имеет изомер — 3-аминопропановую кислоту.
Обрати внимание, что глицин и аминоуксусная кислота — это одно и то же вещество.
Ответ: 25.
Пример № 2. Задание 13
Из предложенного перечня выберите два утверждения, которые справедливы и для глицина, и для метиламина.
- При нормальных условиях являются жидкостями.
- Реагируют с ортофосфорной кислотой.
- Взаимодействуют с гидроксидом лития.
- Горят с образованием $N_2$.
- Содержат карбоксильную группу.
Проверим каждое утверждение:
- Неверно. Глицин — твёрдое вещество, а метиламин при нормальных условиях — газ.
- Верно. Глицин и метиламин благодаря аминогруппе имеют основные свойства и реагируют с кислотами.
- Неверно. Метиламин не реагирует с щелочами, так как у него нет карбоксильной группы.
- Верно. Все органические амины и аминокислоты сгорают с выделением молекулярного азота.
- Неверно. У метиламина нет карбоксильной группы.
Ответ: 24.
Типичные ошибки на ЕГЭ
При выполнении заданий чаще всего допускают следующие неточности.
Реакция с азотистой кислотой
Ошибочно пишут реакцию обмена с образованием нитритов. Правильно писать реакцию с выделением газообразного азота и замещением аминогруппы на гидроксогруппу.
Правильный пример: $NH_2-CH_2-COOH + HNO_2 \rightarrow HO-CH_2-COOH + N_2 \uparrow + H_2O$
Гидролиз дипептидов в щелочной или кислотной среде
Часто в продуктах оставляют свободную аминокислоту. В действительности в кислой среде аминогруппа связывается в соль (с $HCl$), а в щелочной среде карбоксильная группа образует соль (с $NaOH$).
Реакция этерификации
Ошибка заключается в том, что радикал спирта присоединяют к аминогруппе. Этерификация протекает исключительно по карбоксильной группе с отщеплением воды, аминогруппа в реакции не участвует.
Обобщающая схема химических свойств
Для быстрого повторения перед экзаменом используй эту матрицу свойств:
| Реагент | Взаимодействующая группа | Класс образующихся продуктов |
|---|---|---|
| $Na$, $Ca$ (активные металлы) | $-COOH$ | Соли аминокислот + $H_2$ |
| $NaOH$, $Ba(OH)_2$ | $-COOH$ | Соли аминокислот + $H_2O$ |
| $Na_2CO_3$, $NaHCO_3$ | $-COOH$ | Соли аминокислот + $CO_2$ + $H_2O$ |
| $CH_3OH$, $C_2H_5OH$ (спирты) | $-COOH$ | Сложные эфиры аминокислот + $H_2O$ |
| $HCl$, $H_2SO_4$ (сильные кислоты) | $-NH_2$ | Соли аминокислот (аммониевого типа) |
| Галогеналканы ($CH_3Cl$) | $-NH_2$ | Вторичные и третичные соли аминокислот |
| Азотистая кислота ($HNO_2$) | $-NH_2$ | Гидроксикислоты + $N_2$ + $H_2O$ |
| Другая аминокислота | $-NH_2$ и $-COOH$ | Дипептиды, полипептиды + $H_2O$ |
Заключение
Теперь ты знаешь особенности химического поведения аминокислот и белков. Ты умеешь:
- определять аминокислоты среди других органических веществ и находить их изомеры;
- писать уравнения реакций по карбоксильной и аминогруппе с учётом среды раствора;
- составлять формулы дипептидов и трипептидов;
- применять качественные реакции для распознавания белков.
Главное правило темы — всегда оценивать влияние среды на обе функциональные группы аминокислоты. Для успешной подготовки реши 8–10 уравнений из «100балльного банка».
