Электрофильно-нуклеофильные свойства

Двойственная природа аминокислот, обусловленная наличи­ем в молекуле и карбоксильной, и аминогруппы, проявляется также в электрофильно-нуклеофильных взаимодействиях. За счет карбонилсодержащего фрагмента они могут выступать как электрофилы, являясь донором ацильной группы, а за счет неподеленной электронной пары азотсодержащего фрагмента - как нуклеофилы. Это наглядно проявляется в реакциях ацилирования.

Реакции ацилирования. Аминокислоты в присутствии силь­ных кислот при взаимодействии со спиртами легко образуют аммонийные соли сложных эфиров, из которых при действии ще­лочи получают свободные эфиры:

Таким образом, в кислой среде, когда в аминокислотах ами­ногруппа блокирована протоном аминокислоты высту­пают ацилирующим реагентом, т. е. донором ацильной группы, пцилируя в приведенной реакции молекулу спирта.

В то же время в щелочной среде аминокислоты за счет сво­бодной аминогруппы выступают акцептором ацильной группы от сильного ацилирующего реагента, например хлорангидрида карбоновой кислоты:

Приведенные реакции свидетельствуют, что в аминокисло­тах ацилирование протекает и по карбоксильной, и по амино­группе. Поэтому когда в лабораторных условиях необходимо, чтобы в аминокислотах реагировала только одна из этих групп, другая должна быть защищена, т. е. инактивирована.

Карбонилсодержащий фрагмент аминокислоты в сильнощелочной среде защищается за счет образования соли карбоновой кислоты, а в других случаях - путем превращения его в сложноэфирную (— COOR') или в другую группировку, где электрофильность карбонильного атома углерода резко снижена из-за появления сильного электронодонора в группе.

Аминогруппа в аминокислотах защищается в сильнокислой среде за счет ее протонирования (Н3Т+), а в других случаях - пу­тем ее ацилирования (R'CONH—), т. е. появления у аминогруппы электроноакцептора, уменьшающего нуклеофильность атома азо­та. Таким образом, перечисленные способы защиты функцио­нальных групп аминокислот заключаются в том, что снижается электрофильность карбонильного атома углерода в результате введения сильного электронодонора или снижается нуклеофильность атома азота аминогруппы за счет сильного электроноак­цептора. Для удобства в формулах аминокислот, защищенных по карбоксильной или по аминогруппе, вместо формулы защитной группы будет использоваться соответственно знак •, символизирующий нуклеофильность, или знак о - электрофильность:

Вводимые защитные группы должны отвечать следующим требованиям: легко и избирательно вводиться в молекулу; на­дежно инактивировать защищаемую группу; легко удаляться из молекулы. Для удаления защитных групп в основном исполь­зуется реакция гидролиза, но могут применяться и другие ре­акции, например их восстановление.

Аминокислоты с защищенной аминогруппой легко вступают в реакции ацилирования, характерные для карбоновых кислот, например, образуют хлорангидриды или смешанные ангидриды аминокислот:

В образовавшихся производных аминокислот происходит активация электрофильности карбонильного атома углерода. Карбонильный фрагмент с повышенной электрофильностью для

краткости будем обозначать Эти соединения легко ацилируют спирты или амины с образованием сложных эфиров или амидов аминокислот соответственно:

В организме аспарагиновая и глутаминовая кислоты под дей­ствием соответствующих ферментов и АТФ легко ацилируют ам­миак с образованием аспарагина и глутамина соответственно:

При ацилировании аминокислот со свободной аминогруппой аминокислотой с активированной карбонильной группой обра­зуются дипептиды, в которых и амино-, и карбоксильная груп­пы защищены. Эти защиты легко снимаются путем гидролиза:

Таким способом получают также три-, тетра- и полипептиды, в которых аминокислоты связаны между собой пептидной свя­зью —СО—NH—, характерной и для белков. В организме пепти­ды синтезируются прямо из аминокислот, но при участии соответствующих ферментов.

При отсутствии защитных групп молекулы а-аминокислот при нагревании вступают в реакцию взаимного ацилирования, отщепляя межмолекулярно две молекулы воды и образуя цик­лическое соединение дикетопиперазин:

Реакции алкилирования. Аминокислоты, защищенные по кар­боксильной группе, легко вступают в реакции электрофильного за­мещения, характерные для аминов, например ацилирования, кото­рая рассмотрена выше, или алкилирования. Протеканию реакции алкилирования атома азота аминокислот способствует щелочная среда, так как в ней происходит связывание продуктов реакции:

Образующееся в итоге соединение имеет фиксированную би­полярно-ионную структуру и называется бетаином аминокисло­ты, а в случае глицина (R = Н) - просто бетаином. В бетаине атом азота несет положительный заряд и является электрофильным центром. Поэтому бетаин может быть источником метильной группы для нуклеофильного центра другого соединения, т. е. метилирующим реагентом. В организме с помощью бетаина протекает реакция трансметилирования, например алкилирование гомоцистеина с образованием метионина:

Высокая нуклеофильность атома азота ос-аминокислот по­зволяет проалкилировать его 2,4-динитрофторбензолом (ДНФБ, реактив Сэнджера). В этом соединении электрофильность бензоль­ного ядра вследствие влияния двух сильных электроноакцепторных нитрогрупп значительно повышена, что сильно увеличивает способность атома фтора вступать в реакцию замещения:

Образующееся динитрофенильное производное аминокисло­ты легко выделяется и идентифицируется хроматографически. Метод служит для определения аминокислотной последователь­ности белка, т. е. его первичной структуры.

Реакция с формальдегидом. В слабощелочной среде (рН = 7), ко­гда ос-аминокислоты частично переходят в моноанион, содержащий свободную аминогруппу, они легко вступают в реакцию нуклео­фильного присоединения к формальдегиду. При избытке формаль­дегида образуется N, N'-диметилольное производное аминокислоты:

В таких производных аминокислот основность атома азота из-за электроноакцепторных заместителей сильно понижена. Это позволяет использовать реакцию с формальдегидом для количе­ственного определения ос-аминокислот методом формольного титрования (метод Сёренсена), где в качестве титранта исполь­зуется щелочь (индикатор фенолфталеин). Большая склонность аминогрупп в аминокислотах или белках реагировать с фор­мальдегидом приводит к необратимой денатурации белков в его присутствии. Этим объясняются высокая токсичность формаль­дегида и его стерилизирующая способность.