Кинетика термического превращения L-α-аминокислот и их медных комплексов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ
|
Смельцова, Ирина Леонидовна
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Нижний Новгород
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
[Ьтиу}-/*-
СМЕЛЬЦОВА ИРИНА ЛЕОНИДОВНА
КИНЕТИКА ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ Ь- а-АМИНОКИСЛОТ И ИХ МЕДНЫХ КОМПЛЕКСОВ
02.00.04 — физическая химия (химические науки)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
з 1 окт т
005536385
Нижний Новгород — 2013
005536385
Выполнена работа на кафедре химии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор
Яблоков Вепиамин Александрович
Официальные оппоненты: Александров Юрий Арсентьевич,
доктор химических наук, профессор, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (Национальный исследовательский университет)
профессор кафедры «Физическая химия»
Цыганова Елена Ивановна
кандидат химических наук, доцент, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, доцент кафедры «Химия»
Ведущая организация: ФГБУН «Институт металлоорганической
химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук» г. Нижний Новгород
Защита состоится «22_» ноября 2013 года в 13ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.06 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.
Автореферат разослан « 21 » октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Т.Н. Соколова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Основным источником аминокислот для человека, служит белковая пища. В химических процессах, которые идут при высокотемпературной обработке продуктов питания, возможно образование самых разнообразных веществ. Естественно возникают вопросы, какие это вещества, нет ли среди них вредных для человеческого организма и какова должна быть длительность термообработки белковой пищи, при которой возможно образование потенциально опасных для организма соединений.
Работа посвящена исследованию кинетики твердофазных физико-химических превращений аминокислот, их комплексов с медью при температурах, близких к их температурам плавления, а также хромато-масс-спектрометрическому изучению состава продуктов распада. Кинетические данные позволяют дать ответы на вопросы о реакционной способности аминокислот в условиях твердофазного термического превращения и о безопасности температурного режима термообработки пищевых продуктов, содержащих аминокислоты.
Цель и задачи исследования. Изучить кинетику твердофазного термического превращения ряда алифатических, ароматических и гидроксилсодержащих ¿-а-аминокислот и их комплексов с медью. Оценить влияние строения аминокис^ лот на реакционную способность и механизм термического превращения.
Для реализации указанной цели поставлены следующие задачи:
1) исследовать скорость термического превращения ¿-а-аминокислот ЫН2СН(Я)СООН и их медных комплексов, определить кинетические параметры разложения индивидуальных соединений;
2) оценить влияние заместителя Я в исследуемых аминокислотах на их реакционную способность, используя корреляционное уравнение Тафта;
3) определить состав продуктов термического превращения Ь-а-аминокислот и их комплексов с медью масс-спектрометрическим методом;
4) на основании совокупности полученных результатов обосновать вероятный механизм термического превращения исследованных аминокислот и их солей;
5) высказать предложения относительно безопасного температурного режима термообработки пищевых продуктов, содержащих аминокислоты и белки.
Объектом исследования является реакционная способность девяти L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH алифатического ряда, где R = Н - (глицин, Gly), СНз - (аланин, Ala), (СН3)2СН - (валин, Val), (СН3)2СНСН2 - (лейцин, Leu), СН3СН2(СН3)СН - (изолейцин, lie), ароматического ряда, где R = С6Н5СН2 -(фенилаланин, Phe), НОС6Н4СН2 - (тирозин, Туг), гидроксиаминокислоты, где R = НОСН2 - (серии, Ser), СН3С(ОН)Н- (треонин, Thr) и их комплексы с медью
[NH2CH(R)COO]2CU.
Методы исследования. При выполнении работы использован метод измерения скорости реакции по выделению летучих продуктов реакции в закрытой системе постоянного объема. Продукты реакции идентифицировались методом масс-спектрометрии, хромато-масс-спектрометрии, а также с использованием времяпролетного тандемного масс-спектрометра с ионизацией в матрице
(MALDI).
Научная новизна работы
1. Впервые определены кинетические параметры твердофазного термического превращения L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH и их медных комплексов, содержащих алифатические, ароматические и гидроксилсодержащие заместители
R.
2. Доказано на основании использования корреляционного уравнения Тафта (значение р* = + 8,4), что лимитирующей стадией термического превращения является гетеролитическая поликонденсация аминокислот.
3. Доказано, что в отличие от гетеролитической конденсации термическое превращение медных комплексов аминокислот осуществляется по гемолитическому механизму.
4. Доказано, что при термическом разложении глицина в интервале температур 200 - 240 °С образуются амиды (формамид, ацетамид), относящиеся к
канцерогенным веществам.
Научно-практическая значимость. Предложен механизм термического превращения ¿-«-аминокислот. Обнаруженные закономерности связи строения алифатических аминокислот с константами скорости их термического превращения с помощью корреляционного уравнения Тафта могут быть использованы для оценки реакционной способности других аминокислот и их производных, а также дать достоверную информацию о механизме термического разложения аминокислот и пептидов.
Положения, выносимые на защиту
1. Определены эффективные константы скорости и энергетические параметры реакции твердофазного термического превращения ¿-а-аминокислот
ЫН2СН(К)СООН и их медных комплексов.
2. Лимитирующей стадией процесса является гетеролитическая поликонденсация аминокислот в линейные олигопептиды и дикетопиперазины. Медные комплексы аминокислот подвергаются гомолитическому разложению с образованием радикалов.
3. Компенсационный эффект подтверждает однотипность термических
превращений изученных аминокислот. Корреляционное уравнение Тафта подтверждает высокую чувствительность процесса гетеролитической поликонденсации аминокислот к индуктивному эффекту заместителя Я в МН2СН(Я)СООН.
4. Реакционная способность медных комплексов аминокислот возрастает в ряду соединений: СиА1а2 < Си01у2 < СиУа12 < Си11е2 < СиЬеи2 < СиРЬе2 < СиБегг-
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство-2003» (Н.Новгород, 2004); XV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011); II Всероссийской научной конференции
«Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012); XI Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров (Ярославль, 2013).
Личный вклад автора. Экспериментальные исследования выполнены автором диссертационной работы во время обучения в аспирантуре. Все вышеизложенные в диссертации новые результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими авторами публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 105 стр, состоит из введения, трех глав, выводов. Диссертация иллюстрирована 30 рисунками, 10 таблицами и 4 схемами. Список цитируемой литературы включает 130 найме-
нований.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация по своим целям, задачам, содержанию, научной новизне и методам исследования соответствует п.7 «Макрокинетика, механизмы сложных химических процессов» и п.10 «Связь реакционной способности реагентов с их строением и условиями осуществления химической реакции» паспорта специальности 02.00.04 - физиче-
екая химия.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается ак1уальность темы, выбор объектов, цели и
задачи исследования.
В литературном обзоре (глава 1) приведен анализ литературных Данных по
данной тематике и обсуждаются физико-химические свойства аминокислот, их структурные и термодинамические характеристики, некоторые особенности твердофазных процессов, а также принципы корреляционных методов анализа для установления механизма и реакционной способности органических соединений.
Вторая глава посвящена объектам и методам исследования. В третьей главе приводятся экспериментальные данные и обсуждаются результаты исследования.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Кинетика и продукты твердофазного термического превращения алифатических аминокислот
Термическое превращение глицина, сопровождающееся выделением летучих продуктов, происходит с явно выраженным индукционным периодом, который особенно четко прослеживается при температуре 212°С (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость давления (р) газообразных продуктов термического превращения глицина от времени реакции (I): 1)212; 2) 220; 3) 226; 4) 231; 5) 240°С
Г. МИН
Характер кривых типичен для твердофазной химической реакции. Индукционный период соответствует начальному процессу газовыделения, сопровождающемуся медленным разрушением исходной кристаллической структуры твердой фазы. Цвиттер-ионы глицина +Н3НСН2СОО" в узлах кристаллической решетки изначально находятся в положении благоприятном для поликонденсации
во всем объеме вещества.
На схеме 1, а показано, как разрываются связи Ы-Н и С-О в исходных аминокислотах и образуются связи Н-О в молекулах воды, которые при температуре опыта (210 - 240 °С) переходят в газовую фазу. Так осуществляется гетеролитическая реакция отщепления воды в кристалле, и образуется пептидная связь -КН-С(О)- в линейном олигомере (схема 1, а- образование тримера). Параллельно происходит образование дикетопиперазина (ДКП или 2,5-пиперазиндиона) (схема 1, б). Образование продуктов конденсации (олигомеров низкой молекулярной массы и ДКП) установлено с помощью времяпролетного тандемного масс-спектрометра с ионизацией в матрице (МАЬОГ).
р. кГЪ
Схема 1
1)
. X I к >°
V "
и-' чи
N <1
Ч:НУ" Ъ
ч>г
, » / Чи
б)
V Нч /СН2Ч />
N ^
н/ Н О' 1-
0. ЫС-^Ы
-
| 2Н20
С N </ -СН; ЧН
В качестве летучих продуктов, увеличивающих давление в ходе термического превращения глицина в замкнутой системе постоянного объема, обнаружены Н20, С02, метиламин, формамид, ацетамид, пропионамид, Н-металацетамид и уксусная кислота. Образование С02 в продуктах термического превращения глицина связано, вероятно, с декарбоксилированием концевых групп в олигомерах и с реакциями образования К-замешенных амидов. Вода участвует во вторичных реакциях образования таких веществ, как формамид, ацетамид, Н-замещенный
амид и уксусная кислота.
Термическое превращение аланина в отличие от глицина сопровождается
выделением летучих продуктов без явно выраженного индукционного периода (рис.2).
Наличие метильной группы в аланине +Н3МСН(СН3)СОСГ приводит к повышению термической стабильности этого соединения по сравнению с глицином.
Рис. 2. Зависимость давления (р) газообразных продуктов термического
превращения аланина от времени реакции (<): 1) 241; 2) 264; 3) 277; 4) 309 "С
/. мин
Валин, лейцин и изолейцин подвергаются термическому превращению в кристаллическом состоянии в одном температурном интервале (270 - 300 °С). Характер кривых термического превращения у них практически не отличается. Как следует из работ Кондратьева и др. (2005) глобальному минимуму энергии аминокислот, имеющих боковой разветвленный радикал, соответствует цис-конформация 2, в то время как в аланине и глицине минимуму энергии отвечает структура ¿/ис-конформации 1:
(1) (2) Отсюда следуют некоторые отличия в составе продуктов. С увеличением
объема заместителя R в цвиттер-ионе +H3NCH(R)COO" увеличивается вероятность образования производных дикетопиперазина. Анализ продуктов распада аминокислот проводили на хромато-масс-спектрометре Trace GCUltra/DSQII. Идентификация компонентов смеси осуществлялась путем сравнения их масс-спектров с масс-спектрами электронной библиотеки NIST 2005.
При термическом превращении валина в конденсированной фазе обнаружен 3,6-бис( 1 -метилэтил)-2,5-пиперазиндион. В продуктах термического превращения лейцина и изолейцина найдены 3,6-бис(2-метилпропил)-2,5-пиперазиндион и 3,6-бис(1-метилпропил)-2,5-пиперазиндион соответственно. Состав газообразных
р. кПп
продуктов термического превращения алифатических аминокислот не отличается разнообразием. В газовой фазе в основном содержится пары воды и углекислый газ. Среди жидких продуктов термического превращения валина хроматомасс-спектрометрическим методом обнаружены: изобутиламин, Ы-пропил-аминизобутилиден и триаминотриазол, а в продуктах превращения лейцина и изолейцина- пропиламин, диметилпиперазин и бутенилкетон. Образование С02 и И-замещенного амида происходит, вероятно, в результате декарбоксилирования олигомеров по реакции:
о 0 о
^ШСНСН-КН-СЖ^ --С02 + ННСН^Н-НН-СН2Я
I | чон I
¿Я Я
Кинетические кривые термического превращения алифатических аминокислот типичны для твердофазных химических реакций. Сложный состав продуктов реакции включает совокупность параллельно и последовательно протекающих элементарных реакций. Для количественной оценки реакционной способности исследованных соединений использована простая модель. Первичным актом термического превращения является поликонденсация аминокислот. Она сопровождается образованием олигомеров и подчиняется кинетическому уравнению реакции первого порядка. Вслед за реакцией конденсации идут вторичные быстрые реакции. Константы скорости (к), рассчитанные по уравнению реакции первого порядка, относятся к брутто-процессу и выполняют функцию эффективных констант скорости реакции. Для расчета к на кинетических кривых, построенных в координатах давление (р) - время (/) реакции, использовался участок восходящей кривой, соответствующий развитию процесса с высокой скоростью. Анализ продуктов и кинетические параметры твердофазного термического превращения алифатических аминокислот (табл. 1.) позволили установить механизм процесса.
Среди продуктов термического превращения алифатических аминокислот обнаружены амиды (формамид, ацетамид, пропионамид, М-метилацетамид), относящиеся к веществам, провоцирующим рак и вызывающим нарушение репродуктивной системы.
Таблица 1
Кинетические параметры термического превращения алифатических
аминокислот
Аминокислота Т°С *-105,сек"' Е, кДж/моль \пко
+Н3ЫСН(К)СОО"
212 31,6
220 63,3
Глицин 226 84,3 157 30,8
я=н-
231 139,7
240 260,1
241 11,4
Аланнн 264 43,1 101 14,7
Я= Н3С- 277 87,1
309 150,6
270 9,0
Валин 277 15,9 190 32,8
Я=(СНз)2СН- 295 44,0
301 81,4
269 7,9
Лейцин 285 22,9 184 31,3
Я=(СНз)2СНСН2- 293 41,3
301 80,4
269 3,5
Изолейцин 285 11,8 195 33,1
К=С2Н5СН(СНз)- 291 28,3
301 39,6
2. Кинетика и продукты термического превращения ароматических аминокислот
Термическое превращение фенилаланина (К = С6Н5СН2-) и тирозина (Л = НОС6Н4СН2-) изучено в интервале температур 245 - 290 °С.
Газообразные продукты превращения указанных аминокислот: С02, №1з и пары воды. Основные продукты конденсированной фазы: фенилэтиламин-Ы-изопропен, тетраметилпиперидон, бензол, толуол (при разложении фенилаланина); фенол, 2-аминоэтилфенол (тирамин), также 2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидон (при разложении тирозина). Не исключено, что электронные эффекты ароматической группы Я в тирозине приводят к реализации, наряду с процессом поликон-
денсации, сопровождающимся выделением воды, другого процесса - декарбокси-
лирования аминокислоты по реакции:
НОС6Н4СН2СНСООН —»- со2 + НОС6Н4СН2СН^Н2
тирамин
Кинетические параметры твердофазного термического превращения фени-лапанина и тирозина (табл. 2) согласуются с аналогичными параметрами, установленными для алифатических аминокислот, и свидетельствуют об однотипных химических превращениях аминокислот в лимитирующей стадии процесса.
Таблица2
Кинетические параметры термического превращения ароматических
аминокислот
Аминокислота +НзЫСН(Я)СОО" Т°С к -Ю'.сек'1 Е, кДж/моль №
245 32,2
Фенилаланин 254 72,0 204 39,3
к= с6н5сн2- 264 120,0
275 493,0
Тирозин я=нос6н4сн2- 268 276 283 290 9,8 17,8 32.1 64.2 217 38,9
3. Кинетика и продукты термического превращения гидроксилсодержащнх аминокислот
Серии (Я = НОСН2) начинает подвергаться термическому превращению с заметной скоростью при относительно более низкой температуре (198 °С) среди аминокислот. В газовой фазе обнаружены С02 и пары воды. В конденсированной фазе найдена уксусная кислота, формамид, ацетамид, Н-метилацетамид, пропила-
мид и н-бутиламид.
Треонин [Я = НО(СН3)СН-] термически более стабильное соединение по
сравнению с серином. Рассчитанные по уравнению первого порядка константы
скорости термического превращения серина и треонина приведены в табл. 3.
ТаблицаЗ
Кинетические параметры термического превращения гидроксилсодержащих
аминокислот
Аминокислота +H3NCH(R)COO~ Г,°С ¿•105,сек"' Е, кДж/моль Inк0
Серин 198 6,0
R=HOCH2- 208 21,0
211 71,7 344 77,8
216 137,1
222 327,0
Треонин 227 26,0
R=HO(CH3)CH- 234 32,0 209 41,8
243 91,0
253 285,0
4. Использование корреляционных уравнений для оценки реакционной способности и механизма термического превращения аминокислот
Известно, что кинетический компенсационный эффект наблюдается в однотипных химических реакциях. Значения энергий активации Е и предэкспоненци-альных множителей Into в уравнении к - ко e_E/RT для ряда однотипных химических реакций изменяются согласованно. Обнаружение этого эффекта (рис. 3) в случае исследованных аминокислот, различающихся лишь структурой заместителя R в составе цвиттер-иона +H3NCH(R)COO, указывает на одинотипность механизма твердофазного термического превращения соединений.
1Ы"с
90 -1 SO 70 -60 -50 40 ■ 30 -20 10 -О
о
100 200 Е. кДж. моль
.400
400
Рис. 3. Компенсационный эффект в серии однотипных твердофазных термических превращений аминокислот
На основании наблюдаемого кинетического компенсационного эффекта можно утверждать, что в лимитирующей стадии процесса термического превра-
щения аминокислот реализуются коллективные взаимодействия цвитгер-ионов в узлах кристаллической решетки. Коллективными являются элементарные акты взаимодействия положительно и отрицательно заряженных концов диполей цвит-тер-ионов, сопровождающиеся выделением молекул воды и формированием звеньев олигомерной цепи.
Вследствие гетеролитического характера межмолекулярных взаимодействий поликонденсация аминокислот должна быть весьма чувствительна даже к слабым структурным изменениям молекул и электронным эффектам группы Я в составе цвитгер-ионов. Чтобы убедиться в этом по кинетическим параметрам, приведенным в табл. 1 - 3, рассчитаны константы скорости реакции (кк) при 270 °С и относительная реакционная способность (1п£(Дме) аминокислот (табл.4).
Таблица4
Константы скорости и относительная реакционная способность термического превращения аминокислот +Н3ЫСН(Я)СОО при 270 "С
R а* *я-105 сек' \пкК1кМс
НОСН2- +0,555 563110 +9,15
Н- +0,49 2050 +3.62
НО(СН3)СН- +0,455 * 1113 +3,01
С6Н5СН2- +0,215 317 +1,76
СНз- 0,0 54.8 0,0
(СНзЬСНСНг- -0,125 8,44 -1,87
(СНз)гСН- -0,19 9,0 -1,81
СН3(С2Н5)СН- -0,21 3,75 -2,68
* Значение а* [НО(СН3)СН-] рассчитано по аддитивной схеме
Переменные заместители (R) в исследованных аминокислотах оказывают индуктивное влияние на реакционные центры НзК"- и -СОО по системе а-свя-зей. При этом влияние на реакционную способность соединений структурных факторов происходит в соответствии с принципом аддитивности и независимости.
Для выяснения механизма реакции твердофазного термического превращения аминокислот использовано корреляционное уравнение Тафта:
\пкъ/кме = р*а*.
где куе - константа скорости термораспада аланина, несущего метальный заместитель; к« - константа скорости термораспада других аминокислот, имеющих элек-тронодонорные и электроноакцепторные заместители Я; величины а* - индукционные константы заместителей Я; р* - константа реакции, характеризующая чувствительность реакционного центра к индуктивному эффекту Я.
Указанная зависимость выражается прямой (рис. 4.): 1п£я/&ме = 8,4-а*-0,47.
1п(Л>
о
7
1
-I -
Рис. 4. Зависимость 1п<ъ/£мс (270 °С) термического превращения аминокислот от индукционных констант заместителей Я
0-
-0.25 0.25 0.75
г,*
Полученная величинар* = +8,4 в уравнении Тафта свидетельствует в пользу полярного переходного состояния в гетеролитическом процессе превращения аминокислот. Из этого реакционного ряда выпадает серин. Вероятно, гидрокси группа серина участвует в гетеролитических реакциях аналогично карбоксильной группе.
Для исследованного ряда аминокислот в зависимости от относительного положения цвиттер-ионов идет поликонденсация с образованием как линейных олигопептидов, так и циклических дипептидов. Незначительный вклад гемолитического разложения цвиттер-ионов связан с образованием углекислого газа и ал-киламинов:
+Н31^СН(Н.)СОО~ -> НгМСНгЯ + С02.
Кинетические исследования и анализ продуктов дают основание представить следующую схему твердофазного термического превращения аминокислот (схема 2).
Схема 2
Реакции конденсации с образованием олигопептидов
'Н3\'-^И-СОО к
^_гун,о
Реакции конденсации с образованием циклических дипептидов
о=<!; М1
[Л
Л
ЯСН^Н, + кС(ОЖН2 + н,о +со2
Присутствие в продуктах аминов, адетамидов и углекислого газа говорит об участии гемолитических реакций. Для выяснения роли гемолитических реакций мы обратились к исследованию термического разложения медных комплексов (солей) аминокислот. Известно, что термическое разложение глицината меди (Шелковников В.В., Ерошкин В.И., 1985) идет по радикальному механизму. Сопоставление кинетических параметров термического превращения медных солей аминокислот и собственно аминокислот позволяет понять роль радикальных реакций в исследованных процессах.
5. Кинетика и продукты твердофаз;ного термического превращения комплексов аминокислот с медью
Определены продукты твердофазного термического превращения глицината- Си(С1у)2, аланината- Сн(А1а)2 и серината меди Си(8ег)2 масс-спектрометрическим и хромато-масс-спектрометрическим методами.
Для глицината меди Си01у2 получены масс-спектры продуктов термолиза в изотермических условиях при температуре 250 °С. В качестве продуктов реакции идентифицированы: СО, С02, 1,2-диаминоэтан Н2КСН2СН2>1Н2, имин НН=СН2, глицин Н^СН2СООН и дикетопиперазин. На начальном этапе разложения максимальное количество ионов в потоке летучих продуктов принадлежит С02 и СО,
указывающее на радикальный путь термического превращения металлокомплек-са. Такое развитие процесса согласуется с данными работы Шелковникова В.В. и Ерошкина В.И. (1985), установивших, что в металлокомплексе происходит внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс образования ион-радикала +Сив1у и карбоксиламинного радикала Н2НСН2СОО. На основании анализа продуктов реакции представлен вероятный механизм термического разложения глицината меди (схема 3).
Схема 3
1 >е
^у О- 'N11
___*Н2 , 0
(2) I + М12 -СН2- с^.
СиО + ЫН2-СН2+ СО — ! Ч)
с/ | (3)
МН2-СН2 + СО,
(5)
КНГСН2 + СиС1у2 -М1--СН, + НЛЧ-СНгСООН + Си(3|У
(4) Ын2-сн2 н,к-сн,-соон1 (6) II
V ны^
н2м-сн2-сн2ын2 I +2НЮ
к
II
о
Образование радикалов СиС1у и Н2РГСН2СОО — первая стадия термического превращения Си01у2. Дальнейшее превращение образовавшихся радикалов осуществляется по двум направлениям. Разложение ион-радикала +СиС1у сопровождается образованием черного порошка оксида меди СиО, СО и аминометиль-ного радикала (реакция 2). Для карбоксиламинного радикала Н2>1СН2СОО характерна типичная реакция декарбоксилирования, сопровождающаяся образованием аминометильного радикала и С02 (реакция 3). Аминометильные радикалы участвуют в реакциях рекомбинации (реакция 4) и продолжения цепи (реакция 5). Появление в масс-спектре глицина происходит в результате атаки радикала Н2М-СН2 на кристаллический глицинат меди, а появление дикетопиперазина связано с ге-
теролитической реакцией дегидратации глицина (реакция 6). Отсутствие в масс-спектре метиламина указывает на то, что радикал Н2М-СН2 не участвуют в реакции диспропорционирования.
Таким образом, вслед за лимитирующей стацией гемолитического разрыва связи (реакция 1) происходят быстрые радикальные реакции 2 - 5 и реакция конденсации глицина (6), сопровождающаяся образованием дикетопиперазина.
Для СиА1а2 и Си8ег2 получены масс-спектры продуктов термолиза при 27С; и 200°С соответственно.
Среди летучих продуктов распада идентифицированы СО, С02, алкилимин Я-СН=ЫН и алкиламин КМН2. В масс-спектре отсутствуют соответствующие аминокислоты, а также производные дикетопиперазина и продукты рекомбинации радикалов Н2Н-СНЯ. В то же время аминоалкильные радикалы участвуют в реакции диспропорционирования.
Хромато-масс-спектроскопическим методом при разложении СиА1а2 Найдены в газовой фазе этилизоцианат, а при разложении Си8ег2 - пиразин.
Если для глицина при термораспаде реализуется цепной радикальный процесс, описываемый схемой 3, то для замещенных металлокомплексов Си[Н2ЫСН(Я)СОО]2 лимитирующей стадией процесса является внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция гемолитического разрыва связи металл-кислород (схема 4, реакция 1). Ион двухвалентной меди выступает в роли окислителя, а анион аминокислоты выполняет функцию восстановителя. Смещение электронной плотности в металлокомплексе сопровождается генерированием ион-радикала +Си[Н2ЫСН(Я)СОО] и радикала Н^СН(Я)СОО, которые быстро распадаются с выделением С02 и СО (реакции 2 иЗ).
Для соли аминокислоты, имеющей в качестве заместителя объёмный радикал II, при термическом разложении образуется более стабильный замещенный аминоалкильный радикал Н2Ы(Я)НС'. Он не участвует в реакции продолжения цепи (схема 3, реакция 5), а участвует в реакциях димеризации или
диспропорционирования. Мы наблюдали в масс-спектре продукты диспропор-ционирования радикала Н2М(К)НС".
Схема 4
Сдг
СГ"-«-
кч - N11,
СиО - М1, СН СО
ей -
" I ^о
4 МН.-СН-СО,
Г " "Т
Скорость гомолитического разрыва связи в металлокомплексе находится в прямой зависимости от стабильности образующихся в результате распада свободных радикалов. Большую стабильность и, следовательно, большую скорость разложения обеспечивают объемные алкильные группы, входящие в состав заместителя Я. Кинетические параметры термического превращения медных комплексов аминокислот, представленные в табл. 5, подтверждают это. При разложении комплексов отсутствует индукционный период, как это было в случае соответствующих аминокислот. Подобно гомогенной химической реакции процесс газовыделения из медных комплексов описывается уравнением реакции первого порядка. Высокая реакционная способность СиБегг объяснима присутствием в боковой цепи электроноакцепторных НОСН2 - групп, способных участвовать в образовании дополнительных водородных связей с соседними молекулами соли, что, вероятно, их дестабилизирует.
Таблица5
Кинетические параметры термического разложения комплексов Си[Н2ЫСН(К)СОО]2
Я Т,°С *к105, сек-1 ¿2зо'105, сек-1 Е, кДж/моль Ъкй
230 12,0
н- 236 241 246 45,0 56,8 131 13,9 307 64,7
244 20,2
, СНз- 250 262 268 25,5 61.4 124 5,6 170 30,9
225 13,2
(СНз)2СН- 231 238 245 16,3 30,8 55,2 17,4 159 29,4
218 18,7
(СНзЬСНСНг- 224 231 239 36.8 64.9 83,1 51,0 148 27,8
222 9,2
СН3(С2Н5)СН- 228 234 244 16,0 33,1 49,4 18,9 174 32,9
207 6,5
С6Н5СН2- 212 228 238 30,6 179 690 219 311 68,4
159 8,8
НОСН2- 167 182 192 15.5 30,2 93.6 702 112 21,7
Сопоставление численных значений к при 230°С показывают, что реакционная способность металлокомплексов возрастает в ряду соединений:
СиА1а2 < Си01у2 < СиУа12 < Си11е2 < СиЬеи2 < СиРЬе2 < Си8ег2.
В заключение отметим, что использование уравнения реакции первого порядка для описания твердофазного процесса является формальным приемом для количественной оценки реакционной способности металлокомплексов. Тот факт,
что совокупность параллельно и последовательно протекающих элементарных реакций подчиняется простому кинетическому уравнению реакции первого порядка, позволяет предположить, что скорость физико-химических превращений определяется для глицината меди реакциями 1 и 5 (схема 3), а для остальных ме-таллокомплексов только реакцией 1 (схема 4).
На основании исследования кинетических закономерностей и продуктов термического превращения кристаллических солей аминокислот установлено, что они разлагаются в интервале температур 160 - 270 °С примерно на 30 - 50° ниже, чем соответствующие им аминокислоты (исключение составляет глицин, который разлагается при более низкой температуре, чем его соль).
В интервале температур 200 - 230 °С происходит разложение солей аминокислот в основном до безопгсных продуктов. Нужно отметить, что в некоторых пробах даже при 200 - 230 °С присутствуют в незначительных количествах эти-лизоцианат (1,2%) и ацетонитрил (около 0,1%), которые относятся к разряду особо вредных продуктов. Более высокие температуры могут привести к нежелательному процессу выделения чистого металла при термораспаде и других вредных веществ.
Таким образом, кинетические данные и анализ продуктов твердофазного термического превращения ¿-а-аминокислот показывает, что лимитирующей стадией процесса является гетеролитическая реакция поликонденсации, сопровождающаяся образованием линейных олигомеров и дикетопиперазинов. При разложении медных солей аминокислот получен другой набор продуктов реакции, свидетельствующий в пользу радикального механизма превращения этих соединений.
ВЫВОДЫ
1. Определены эффективные константы скорости реакции первого порядка твердофазного термического превращения ¿-«-аминокислот ГЧН2СН(К)СООН при 200 - 300 °С и их медных комплексов в диапазоне температур 160-270 °С.
2. Доказано, что лимитирующей стадиен процесса является гетеролити-ческая поликонденсация аминокислот в линейные олигопептиды и дикетопипе-разины. Медные комплексы аминокислот подвергаются гемолитическому разложению с образованием радикалов, участвующих в реакциях декарбоксилирова-ния, рекомбинации и диспропорционирования.
3. Подтверждена однотипность термических превращений изученных аминокислот. Корреляционное уравнение Тафта показывает высокую чувствительность процесса гетеролитической поликонденсации аминокислот к индукционному эффекту заместителя R (р* = + 8,4). Скорость термического превращения ¿-a-аминокислот NH2CH(R)COOH снижается по мере увеличения электронодо-норного эффекта заместителя R.
4. Установлено, что реакционная способность медных комплексов аминокислот возрастает в ряду соединений: CuAla2 < CuGly2 < CuVal2 < Culle2 < Cu-Leu2 < CuPhe2 < CuSer2.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. . Яблоков, В.А. Исследование термической стабильности глицина, ала-нина и серина / В.А. Яблоков, ИЛ. Смельцова, И.А. Зеляев, C.B. Митрофанова // Журн. общей химии - 2009. - Т. 79. №.8. - С. 1344-1346.
2. Яблоков, В.А. Термическая стабильность аминокислот / В.А. Яблоков, И.Л. Смельцова,_В.И. Фаерман // Журн. общей химии - 2013. Т. 83. №3. - С.423-427.
3. Яблоков, В.А. Исследование термической стабильности глицина и его комплекса с медью / В.А. Яблоков, ИЛ. Смельцова, И.А. Зеляев, C.B. Митрофанова // Приволжский науч. жур. №4. Изд. Н.Новгород: ННГАСУ, 2007 - №4. -С.115-121.
4. Смельцова, ИЛ. Термическое разложение глицина и его комплексов с металлами в твердой фазе / И.Л. Смельцова // Сб. трудов аспирантов и магистров. Техн. науки.-Н.Новгород,: ННГАСУ. 2005. - С.325-329.
5. Смельцова, И.Л. Термическое разложение комплексов меди (II) с аминокислотами в твердой фазе / И.Л. Смельцова // Сб. трз'дов аспирантов и магистров. Техн. науки.- Н. Новгород, ННГАСУ. 2006 - С.325-327.
6. Смельцова, И.Л. Исследование термической стабильности комплексов аминокислот (глицина, аланина и серина) с медью / И.Л. Смельцова // Тезисы XV междунар. Чугаевской конф. по координационной химии. - Суздаль. - 2011. -С.429.
7. Смельцова, ИЛ. Исследование продуктов термораспада аминокислот / И.Л. Смельцова // Труды II Всероссийск. (с междун. участием) научн. конф. «Успехи синтеза и комплексоебразования». - Москва. - 2012. - С. 161.
8. Смельцова, ИЛ. Кинетика образования олигопептидов при термораспаде аминокислот / И.Л. Смельцова, И.Д. Гришин // XI Международная конференция по химии и физикохммии олигомеров. - Ярославль,- 2013. - С. 104.
Подписано в печать & Формат 60x90 1/16. Бумага газетная. Печать трафаретная.
Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № -5 2 Г
Отпечатано в полиграфическом центре ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
На правах рукописи СМЕЛЫДОВА ИРИНА ЛЕОНИДОВНА
04201456248
КИНЕТИКА ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ Ь- «-АМИНОКИСЛОТ
И ИХ МЕДНЫХ КОМПЛЕКСОВ
02.00.04 - физическая химия (химические науки)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: д-р хим. наук, проф. Яблоков В.А.
Нижний Новгород — 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1О
1.1. Некоторые структурные и термодинамические характеристики аминокислот 11
1.2. Особенности твердофазных процессов с участием аминокислот 19
1.3. Химические свойства аминокислот 21
1.4. Использование корреляционных уравнений при оценке реакционной способности органических соединений 24
1.5. Аминокислоты с алифатическим радикалом 27
1.6. Аминокислоты с ароматическим радикалом 33
1.7. Гидроксилсодержащие аминокислоты 35
1.8. Комплексы аминокислот с медью 37
Глава 2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 41
2.1. Основные объекты исследования 41
2.2. Методы исследования 44
2.2.1. Установка для исследования скорости термического превращения аминокислот 44
2.2.2. Хромато-масс-спектрометрический анализ продуктов реакции 45
2.2.3. Метод времяпролетной MALDI MS для определения продуктов реакции поликонденсации 47
2.3. Методика определения констант скорости термического превращения аминокислот 48
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 49
3.1. Кинетика и анализ продуктов термического превращения алифатических аминокислот 49
3.2. Термическое превращение ароматических аминокислот 63
3.3. Термическое превращение гидроксилсодержащих аминокислот 65
3.4. Использование корреляционного уравнения Тафта для оценки реакционной способности и механизма термического превращения аминокислот 69
3.5. Исследование термического превращения комплексов (солей) аминокислот с медью 76 ВЫВОДЫ 91 Список цитируемой литературы 92
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
Gly - глицин Ala - аланин Val - валин Leu - лейцин Не - изолейцин Phe - фенилаланин Ser - серии Thr - треонин Туг - тирозин CuGly2 - глицинат меди Си(А1а)2 - аланинат меди Cu(Ser)2 - комплекс серина с медью Си(Уа1)2 - валинат меди Cu(Leu)2 - лейцинат меди Cu(Ile)2 - комплекс лейцина с медью Cu(Phe)2 - комплекс фенилаланина с медью к - константа скорости реакции Е - энергия активации процесса ко - предэкспоненциальный множитель ДКП - дикетопиперазин
MALDI MS - времяпролетный масс-спектрометр с ионизацией в матрице
ВВЕДЕНИЕ
Существование живых организмов на нашей планете, фундаментом строения которых являются аминокислоты, белки, углеводы, липиды, рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты, исчисляется возрастом в несколько миллиардов лет. Аминокислоты были обнаружены в образцах вещества межзвёздной пыли - древнейшего материала, оставшегося неизменным со времен образования солнечной системы 4,55 млрд лет назад (Don Brownlee Stardust: А Mission With Many Scientific Surprises 29-10-2009).
Белки или протеины обеспечивают жизнедеятельность любого организма. Для построения белков природа выбрала L-a-аминокислоты. Это обусловлено тем, что только L-a-аминокислоты, соединенные в длинные цепи, способны обеспечить достаточную прочность и устойчивость структуры разнообразных белков [1-11]. Не случайно аминокислотам, пептидам и белкам многократно посвящались детальные обзоры Королевского химического общества [12-14].
Живые организмы обладают постоянным резервом свободных аминокислот, содержащихся в тканях. Этот резерв принимает участие в многочисленных обменных реакциях биосинтеза олигопептидов, полипептидов, белков, порфиринов, пуринов и др. В случае дефицита некоторых аминокислот глутаминовая и аспара-гиновая кислоты осуществляют интегрирующую и перераспределяющую роль в азотистом обмене организма.
Актуальность работы. Основным источником аминокислот для человека служит белковая пища. В химических процессах, которые идут при высокотемпературной обработке продуктов питания, возможно образование самых разнообразных веществ. Естественно возникают вопросы, какие это вещества, нет ли среди них вредных для человеческого организма и какова должна быть длительность термообработки белковой пищи, при которой возможно образование потенциально опасных для организма соединений [15].
Работа посвящена исследованию кинетики твердофазных физико-химических превращений аминокислот, их комплексов с медыо при температурах, близких к их температурам плавления, а также хромато-масс-
спектрометрическому изучению состава продуктов распада. Кинетические данные позволяют дать ответы на вопросы о реакционной способности аминокислот и о безопасности температурного режима термообработки пищевых продуктов, содержащих аминокислоты.
Цель исследования. Изучить кинетику твердофазного термического превращения ряда алифатических, ароматических и гидроксилсодержащих L-a-аминокислот и их комплексов с медью. Оценить влияние строения аминокислот на реакционную способность и механизм термического превращения.
Для реализации указанной цели решались следующие задачи:
1) исследовать скорость термического превращения L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH и их медных комплексов, определить кинетические параметры разложения индивидуальных соединений;
2) оценить влияние заместителя R в исследуемых аминокислотах на их реакционную способность, используя корреляционное уравнение Тафта;
3) определить состав продуктов термического превращения L-а-аминокислот и их комплексов с медью масс-спектрометрическим методом;
4) на основании совокупности полученных результатов обосновать вероятный механизм термического превращения исследованных аминокислот и их солей;
5) высказать предложения относительно безопасного температурного режима термообработки пищевых продуктов, содержащих аминокислоты и белки.
Объектом исследования является реакционная способность девяти L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH алифатического ряда, где R = Н - (глицин, Gly), СН3 - (аланин, Ala), (СН3)2СН - (валин, Val), (СН3)2СНСН2 - (лейцин, Leu), СН3СН2(СН3)СН - (изолейцин, Не); ароматического ряда, где R = С6Н5СН2 -(фенилаланин, Phe), НОС6Н4СН2 - (тирозин, Туг); гидроксиаминокислоты, где R = НОСН2 - (серин, Ser), СН3С(ОН)Н- (треонин, Thr) и их комплексы с медью [NH2CH(R)COO]2Cu.
Методы исследования. При выполнении работы использован метод измерения скорости реакции по выделению летучих продуктов реакции в закрытой
системе постоянного объема. Продукты реакции идентифицировались методом масс-спектрометрии, хромато-масс-спектрометрии, а также с использованием времяпролетного тандемного масс-спектрометра с ионизацией в матрице (МА1ЛЭ1).
Положения, выносимые на защиту
1. Определены эффективные константы скорости и энергетические параметры реакции твердофазного термического превращения £-а-аминокислот ]МН2СН(11)СООН и их медных комплексов.
2. Лимитирующей стадией процесса является гетеролитическая поликонденсация аминокислот в линейные олигопептиды и дикетопиперазины. Медные комплексы аминокислот подвергаются гомолитическому разложению с образованием радикалов.
3. Компенсационный эффект подтверждает однотипность термических превращений изученных аминокислот. Корреляционное уравнение Тафта подтверждает высокую чувствительность процесса гетеролитической поликонденсации аминокислот к индуктивному эффекту заместителя Я в МН2СН(11)СООН.
4. Реакционная способность медных комплексов аминокислот возрастает в ряду соединений: СиА1а2 < Си01у2 < СиУа12 < Си11е2 < СиЬеи2 < СиРЬе2 < Си8ег2.
Научная новизна работы
1. Впервые определены кинетические параметры твердофазного термического превращения /,-а-аминокислот >Щ2СН(К.)СООН и их медных комплексов, содержащих алифатические, ароматические и гидроксилсодержащие заместители Я.
2. Доказано на основании использования корреляционного уравнения Тафта (значение р* = + 8,4), что лимитирующей стадией термического превращения является гетеролитическая конденсация аминокислот.
3. Доказано, что в отличие от гетеролитической конденсации термическое превращение медных комплексов аминокислот осуществляется по гомолитическому механизму.
4. Показано, что при термическом разложении глицина в интервале температур 200 - 240 °С образуются амиды (формамид, ацетамид), относящиеся к канцерогенным веществам.
Научно-практическая значимость. Предложен механизм термического превращения аминокислот. Обнаруженные закономерности связи строения алифатических аминокислот с константами скорости их термического превращения с помощью корреляционного уравнения Тафта могут быть использованы для оценки реакционной способности других аминокислот и их производных, а также могут дать достоверную информацию о механизме термического разложения аминокислот и пептидов.
Область применения результатов. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в областях науки и практики, связанных с изучением и использованием аминокислот и полимеров на их основе. Точное знание температурного интервала и скоростей распада аминокислот и продуктов их превращения позволит выработать рекомендации по их использованию и применению в различных областях, дать предложения относительно безопасного температурного режима термообработки пищевых продуктов, содержащих аминокислоты и белки.
Публикации автора:
1. Яблоков, В.А. Исследование термической стабильности глицина, ала-нина и серина / В.А. Яблоков, И.Л. Смельцова, И.А. Зеляев, C.B. Митрофанова // Журн. общей химии - 2009. - Т. 79. №.8. - С. 1344-1346.
2. Яблоков, В.А. Термическая стабильность аминокислот / В.А. Яблоков, И.Л. Смельцова, В.И. Фаерман // Журн. общей химии - 2013. Т. 83. №3. - С.423-427.
3. Яблоков, В.А. Исследование термической стабильности глицина и его комплекса с медью / В.А. Яблоков, И.Л. Смельцова, И.А. Зеляев, C.B. Митрофанова // Приволжский науч. жур. №4. Изд. Н.Новгород: ННГАСУ, 2007 - №4. -
С.115-121.
4. Смельцова, И.Л. Термическое разложение глицина и его комплексов с металлами в твердой фазе / И.Л. Смельцова // Сб. трудов аспирантов и магистров. Техн. науки.-Н.Новгород,: ННГАСУ. 2005. - С.325-329.
5. Смельцова, И.Л. Термическое разложение комплексов меди (II) с аминокислотами в твердой фазе / И.Л. Смельцова // Сб. трудов аспирантов и магистров. Техн. науки-Н. Новгород, ННГАСУ. 2006 - С.325-327.
6. Смельцова, И.Л. Исследование термической стабильности комплексов аминокислот (глицина, аланина и серина) с медыо / И.Л. Смельцова // Тезисы XV Междунар. Чугаевской конф. по координационной химии. - Суздаль. - 2011. -С.429.
7. Смельцова, И.Л. Исследование продуктов термораспада аминокислот / И.Л. Смельцова // Труды II Всероссийск. (с междун. участием) научн. конф. «Успехи синтеза и комплексообразования». - Москва. - 2012. - С. 161.
8. Смельцова, И.Л. Кинетика образования олигопептидов при термораспаде аминокислот / И.Л. Смельцова, И.Д. Гришин // XI Международная конференция по химии и физикохимии олигомеров. - Ярославль - 2013. - С. 104.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на следующих конференциях: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство-2003» (Н.Новгород, 2004); XV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011); II Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012); XI Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров (Ярославль, 2013).
Работа выполнена на кафедре химии Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: «Синтез, исследование и применение органических и элементоорганических соединений».
Личный вклад автора. Экспериментальные исследования выполнены автором диссертационной работы во время обучения в аспирантуре. Все вышеизло-
женные в диссертации новые результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими авторами публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 105 стр., состоит из введения, трех глав, выводов. Диссертация иллюстрирована 30 рисунками, 10 таблицами и 4 схемами. Список цитируемой литературы включает 130 наименований.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация по своим целям, задачам, содержанию, научной новизне и методам исследования соответствует п.7 «Макрокинетика, механизмы сложных химических процессов» и п. 10 «Связь реакционной способности реагентов с их строением и условиями осуществления химической реакции» паспорта специальности 02.00.04 - физическая химия.
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Ежегодно в мире разнообразные аминокислоты производятся тысячами и даже миллионами тонн с целыо использования в фармацевтике, получении биоде-градируемых полимеров и сополимеров и во многих других областях науки и техники [1,2,3,6,14].
Аминокислоты можно получать выделением их из белковых гидролизатов микробиологическим синтезом, а также ферментативным и химическим синтезом [1,5,7]. При использовании первых трех методов получают ¿-аминокислоты. Химический синтез дает Д/,-аминокислоты, которые затем требуется разделить на оптические изомеры.
Но настоящий прорыв в производстве аминокислот достигнут использованием биотехнологического метода. Наибольший удельный вес в промышленном производстве аминокислот приходится на глутаминовую кислоту и лизин [15,16], в достаточно больших количествах также получают глицин и метионин.
Несмотря на то что общее число аминокислот, полученных синтетически и встречающихся в природе, исчисляется несколькими сотнями, только 20 из них постоянно присутствуют в организме человека, восемь являются незаменимыми аминокислотами. Они не вырабатываются в организме человека и должны обязательно поступать с пищей. Поэтому на них обращается особое внимание в производстве этих важных продуктов [15,16].
Человеку нужно всего 120 г белка в сутки, но в растительной пище белков мало, и усваиваются они плохо. Если же в пище недостаёт отдельных аминокислот, их дефицит должен пополняться за счет введения в организм заранее синтезированных препаратов. Например, глицин - успокаивающее средство при нервных заболеваниях, фенилаланин является предшественником ряда гормонов, осуществляющих регуляторные функции в организме, валин участвует в синтезе пантотеновой кислоты, а треонин - предшественник витамина Вц.
В табл. 1.1 приведены изученные нами ¿-а-аминокислоты.
Т а б л и ц а 1.1
1,-а-аминокислоты - объекты исследования
Температура
Аминокислота плавления, °С Строение Я
обыч. с разл.
Алифатические
Глицин Иу 292 Н-
Алании А1а 297 СНз-
Валин* Уа1 315 (СН3)2СН-
Лейцин* Ьеи 337 (СН3)2СН-СЫ2-
Изолейцин* Не 284 СНз-СН2-СН(СНз>-
Ароматические
Фенилаланин* РЬе 284 <0>~снг-
Тирозин Туг 344 но-^-сн2-
Содержащие ОН- группу
Серин Бег 228 НО-СН2-
Треонин* ТЬг 253 СЫз-СН(ОН)-
*Незаменимые а- аминокислоты
1.1. НЕКОТОРЫЕ СТРУКТУРНЫЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМИНОКИСЛОТ
Каждая а-аминокислота (кроме глицина) в зависимости от взаимного расположения четырех заместителей у а-углеродного атома может существовать в двух изомерных формах (рис. 1.1).
R
I
fWST >
соон
ноос
R
I
№/С\ ' N N Н
О-а-аминокислота(правая)
Х-а-аминокислота (левая)
Рис. 1.1. Пространственные модели оптических изомеров а-аминокислот
Два типа этих изомеров получили названия ¿-форма (левая) и О-форма (правая). Примечательно, что в состав белков входят только ¿-а-аминокислоты, и практически вся белковая жизнь на Земле - «левая».
Большинство аминокислот растворяется в воде. В неполярных и слабо полярных растворителях (этанол, метанол, ацетон) аминокислоты растворяются плохо. Причиной такого поведения является легкий переход незаряженной молекулы в цвиттер-ион, что связано с выигрышем энергии в 44,8-^51,5 кДж/моль [5], так что нижеприведенное равновесие практически полностью сдвинуто вправо:
Т 7
H2N— С—СООН H3N-— С—COO-
i I
цвиттер-ион
Цвиттер-ионы в кристалле связаны друг с другом водородными связями в бесконечные цепочки типа «голова - хвост», которые сохраняются при деформации структуры и даже при ее реорганизации в ходе различных превращений. Они могут служить моделями будущих пептидных цепочек. Цепочки цвиттер-ионов «голова - хвост» могут образовывать в кристалле двумерные слои и спирали [17,18].
Кристаллы аминокислот уникальны тем, что в них, во-первых, сохраняется индивидуальность каждой отдельной молекулы, во-вторых, в их структуре проявляются свойства, характерные для конденсированных систем, которые определяются в основном окружением и типом взаимодействий между молекулой и ее соседями.
Исследование структуры аминокислот в кристалле и других фазах дает ценные сведения �
