10.5: آمین ها و آمیدها
- Page ID
- 216195
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- ساختار و خواص یک آمین را توصیف کنید
- ساختار و خواص یک آمید را توصیف کنید
آمین ها مولکول هایی هستند که حاوی پیوندهای کربن-نیتروژن هستند. اتم نیتروژن در یک آمین دارای یک جفت الکترون تنها و سه پیوند با اتم های دیگر، کربن یا هیدروژن است. نامگذاری های مختلفی برای استخراج نام برای آمین ها استفاده می شود، اما همه شامل پسوند شناسایی کلاس هستند - ine همانطور که در اینجا برای چند مثال ساده نشان داده شده است:
در برخی آمینها، اتم نیتروژن جایگزین یک اتم کربن در یک هیدروکربن آروماتیک میشود. پیریدین (شکل\(\PageIndex{1}\)) یکی از این آمین های هتروسیکلیک است. یک ترکیب هتروسیکلیک حاوی اتم های دو یا چند عنصر مختلف در ساختار حلقه آن است.
ماده ژنتیکی برای همه موجودات زنده پلیمری از چهار مولکول مختلف است که خود ترکیبی از سه زیر واحد هستند. اطلاعات ژنتیکی، کد توسعه یک ارگانیسم، در توالی خاصی از چهار مولکول موجود است، شبیه به روشی که حروف الفبا را می توان ترتیب داد تا کلماتی را ایجاد کند که اطلاعات را منتقل می کنند. اطلاعات موجود در یک توالی DNA برای تشکیل دو نوع پلیمر دیگر استفاده می شود که یکی از آنها پروتئین ها هستند. پروتئین ها تعامل می کنند و نوع خاصی از ارگانیسم را با ویژگی های فردی تشکیل می دهند.
یک مولکول ژنتیکی DNA نامیده می شود که مخفف اسید دئوکسیریبونوکلئیک است. چهار مولکولی که DNA را تشکیل می دهند نوکلئوتید نامیده می شوند. هر نوکلئوتید از یک مولکول تک یا دو حلقه ای حاوی نیتروژن، کربن، اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است که پایه نیتروژنی نامیده می شود. هر پایه به یک قند پنج کربنی به نام دئوکسیریبوز پیوند خورده است. شکر به نوبه خود به یک گروه فسفات متصل می شود
احتمالاً منطقی است که توالی نوکلئوتیدها در DNA گربه با توالی سگ متفاوت باشد. اما همچنین درست است که توالی DNA در سلول های دو پاگ جداگانه متفاوت است. به همین ترتیب، توالی DNA در شما و یک خواهر و برادر متفاوت است (مگر اینکه خواهر و برادر شما یک دوقلو یکسان باشد)، همانطور که بین شما و یک فرد غیر مرتبط است. با این حال، توالی DNA دو فرد مرتبط بیشتر از توالی دو فرد غیر مرتبط است و این شباهت ها در توالی را می توان به روش های مختلف مشاهده کرد. این اصل پشت انگشت نگاری DNA است، که روشی است که برای تعیین اینکه آیا دو نمونه DNA از افراد مرتبط (یا همان) افراد یا افراد غیر مرتبط گرفته شده است، استفاده می شود.
تکنسینها با استفاده از شباهتها در توالیها میتوانند تعیین کنند که آیا یک مرد پدر یک فرزند است (هویت مادر به ندرت مورد تردید است، مگر در مورد فرزند خوانده و یک مادر بالقوه تولد). به همین ترتیب، ژنتیک پزشکی قانونی می تواند تعیین کند که آیا یک نمونه صحنه جرم از بافت انسان، مانند خون یا سلول های پوست، حاوی DNA است که دقیقا با DNA یک مظنون مطابقت دارد یا خیر.
این انیمیشن ویدئویی را تماشا کنید که چگونه DNA برای یک درس بصری در ساختار آن بسته بندی شده است.
مانند آمونیاک، آمین ها به دلیل جفت الکترون های تنها در اتم های نیتروژن خود، بازهای ضعیفی هستند:
پایه اتم نیتروژن آمین نقش مهمی در بسیاری از شیمی ترکیب دارد. گروه های عاملی آمین در طیف گسترده ای از ترکیبات از جمله رنگ های طبیعی و مصنوعی، پلیمرها، ویتامین ها و داروهایی مانند پنی سیلین و کدئین یافت می شوند. آنها همچنین در بسیاری از مولکول های ضروری برای زندگی، مانند اسیدهای آمینه، هورمون ها، انتقال دهنده های عصبی و DNA یافت می شوند.
از زمان های قدیم، گیاهان برای اهداف دارویی مورد استفاده قرار می گرفتند. یک دسته از مواد، به نام آلکالوئیدها، که در بسیاری از این گیاهان یافت می شود، جدا شده و حاوی مولکول های چرخه ای با یک گروه عاملی آمین است. این آمینها بازها هستند. آنها می توانند با H 3 O + در یک اسید رقیق واکنش داده و نمک آمونیوم تشکیل دهند و از این خاصیت برای استخراج آنها از گیاه استفاده می شود:
نام آلکالوئید به معنای «مانند قلیایی» است. بنابراین، یک آلکالوئید با اسید واکنش نشان می دهد. ترکیب آزاد را می توان پس از استخراج با واکنش با یک پایه بازیابی کرد:
ساختار بسیاری از آلکالوئیدهای طبیعی دارای اثرات فیزیولوژیکی و روانگردان عمیقی در انسان است. نمونه هایی از این داروها شامل نیکوتین، مورفین، کدئین و هروئین است. گیاه این مواد را تولید می کند، که در مجموع ترکیبات گیاهی ثانویه نامیده می شود، به عنوان دفاع شیمیایی در برابر آفات متعددی که سعی در تغذیه گیاه دارند:
در این نمودارها، همانطور که در نمایش ساختارهای ترکیبات آلی بزرگ معمول است، اتم های کربن در حلقه ها و اتم های هیدروژن متصل به آنها برای وضوح حذف شده اند. گوه های جامد نشان دهنده پیوندهایی هستند که از صفحه خارج می شوند. گوه های تکه تکه شده نشان دهنده اوراق قرضه است که به صفحه گسترش می یابد. توجه داشته باشید که تغییرات کوچک در بخشی از مولکول، خواص مورفین، کدئین و هروئین را تغییر می دهد. مورفین، یک ماده مخدر قوی که برای تسکین درد استفاده می شود، حاوی دو گروه عملکردی هیدروکسیل است که در پایین مولکول در این فرمول ساختاری قرار دارد. تغییر یکی از این گروه های هیدروکسیل به یک گروه متیل اتر کدئین را تشکیل می دهد، یک داروی کمتر قوی که به عنوان بی حس کننده موضعی استفاده می شود. اگر هر دو گروه هیدروکسیل به استرهای اسید استیک تبدیل شوند، هروئین به شدت اعتیاد آور است (شکل). \(\PageIndex{3}\)
آمیدها مولکولهایی هستند که حاوی اتمهای نیتروژن متصل به اتم کربن یک گروه کربونیل هستند. مانند آمین ها، ممکن است از قوانین نامگذاری مختلفی برای نامگذاری آمیدها استفاده شود، اما همه شامل استفاده از پسوند خاص کلاس -amide هستند:
آمیدها میتوانند زمانی تولید شوند که کربوکسیلیک اسیدها با آمینها یا آمونیاک در فرایندی به نام آمیداسیون واکنش دهند. یک مولکول آب از واکنش حذف می شود و آمید از قطعات باقی مانده اسید کربوکسیلیک و آمین تشکیل می شود (توجه داشته باشید شباهت به تشکیل یک استر از یک اسید کربوکسیلیک و الکل مورد بحث در بخش قبلی):
واکنش بین آمین ها و اسیدهای کربوکسیلیک برای تشکیل آمیدها از نظر بیولوژیکی مهم است. از طریق این واکنش است که اسیدهای آمینه (مولکول هایی که حاوی هر دو جایگزین آمین و کربوکسیلیک اسید هستند) در یک پلیمر به یکدیگر متصل می شوند و پروتئین ها را تشکیل می دهند.
پروتئین ها مولکول های بیولوژیکی بزرگی هستند که از زنجیره های طولانی مولکول های کوچکتر به نام اسیدهای آمینه تشکیل شده اند. ارگانیسم ها برای عملکردهای مختلف به پروتئین ها متکی هستند - پروتئین ها مولکول ها را از طریق غشای سلولی حمل می کنند، DNA را تکثیر می کنند و واکنش های متابولیکی را کاتالیز می کنند تا فقط تعداد کمی از عملکردهای آنها را نام ببرند. خواص پروتئین ها توابع ترکیبی از اسیدهای آمینه است که آنها را تشکیل می دهند و می توانند بسیار متفاوت باشند. فعل و انفعالات بین توالی های اسید آمینه در زنجیره پروتئین ها منجر به جمع شدن زنجیره به ساختارهای خاص و سه بعدی می شود که فعالیت پروتئین را تعیین می کند.
اسیدهای آمینه مولکول های آلی هستند که حاوی یک گروه عاملی آمین (-NH 2)، یک گروه عاملی اسید کربوکسیلیک (-COOH) و یک زنجیره جانبی (که مخصوص هر اسید آمینه جداگانه است) هستند. بیشتر موجودات زنده پروتئین ها را از همان 20 اسید آمینه مختلف می سازند. اسیدهای آمینه با تشکیل پیوند پپتیدی به هم متصل می شوند، که یک پیوند کووالانسی است که بین دو اسید آمینه ایجاد می شود زمانی که گروه اسید کربوکسیلیک یک اسید آمینه با گروه آمین اسید آمینه دیگر واکنش می دهد. تشکیل پیوند منجر به تولید یک مولکول آب می شود (به طور کلی، واکنش هایی که منجر به تولید آب در هنگام ترکیب دو مولکول دیگر می شوند، واکنش های تراکم نامیده می شوند). پیوند حاصل - بین اتم کربن گروه کربونیل و اتم نیتروژن آمین پیوند پپتیدی یا پیوند پپتیدی نامیده می شود. از آنجا که هر یک از اسیدهای آمینه اصلی دارای یک گروه واکنش ناپذیر هستند (یکی دارای آمین واکنش ناپذیر و دیگری یک اسید کربوکسیلیک واکنش نیافته است)، پیوندهای پپتیدی بیشتری می توانند به سایر اسیدهای آمینه تشکیل شوند و ساختار را گسترش دهند. (شکل\(\PageIndex{4}\)) زنجیره ای از اسیدهای آمینه متصل، پلی پپتید نامیده می شود. پروتئین ها حاوی حداقل یک زنجیره پلی پپتیدی طولانی هستند.
آنزیم ها مولکول های بیولوژیکی بزرگی هستند که عمدتا از پروتئین ها تشکیل شده اند و مسئول هزاران فرآیند متابولیکی هستند که در موجودات زنده رخ می دهد. آنزیم ها کاتالیزورهای بسیار خاصی هستند؛ آنها سرعت واکنش های خاص را افزایش می دهند. آنزیم ها با کاهش انرژی فعال سازی واکنشی که کاتالیز می کنند، عمل می کنند، که می تواند سرعت واکنش را به طرز چشمگیری افزایش دهد. اکثر واکنش های کاتالیز شده توسط آنزیم ها دارای سرعت میلیون ها بار سریع تر از نسخه غیر کاتالیز شده است. مانند همه کاتالیزورها، آنزیم ها در طول واکنش هایی که کاتالیز می کنند مصرف نمی شوند. آنزیم ها از سایر کاتالیزورها در میزان خاص بودن آنها برای سوبستراهایشان (مولکول هایی که آنزیم به یک محصول متفاوت تبدیل می کند) متفاوت هستند. هر آنزیم تنها قادر به سرعت بخشیدن به یک یا چند واکنش بسیار خاص یا انواع واکنش ها است. از آنجا که عملکرد آنزیم ها بسیار خاص است، کمبود یا عملکرد نامناسب آنزیم می تواند منجر به عواقب جدی سلامتی شود. یکی از بیماری هایی که نتیجه سوء عملکرد آنزیم است، فنیل کتونوری است. در این بیماری آنزیمی که اولین گام در تجزیه اسید آمینه فنیل آلانین را کاتالیز می کند عملکردی ندارد (شکل). \(\PageIndex{5}\) بدون درمان، این می تواند منجر به تجمع فنیل آلانین شود، که می تواند منجر به ناتوانی های ذهنی شود.
کولار (شکل\(\PageIndex{6}\)) یک پلیمر مصنوعی است که از دو مونومر 1،4-فنیلن دی آمین و ترفتالویل کلرید ساخته شده است (Kevlar یک علامت تجاری ثبت شده DuPont است). این ماده توسط Susan Kwolek توسعه داده شد، در حالی که او برای پیدا کردن جایگزینی برای فولاد در لاستیک کار می کرد. کار Kwolek شامل سنتز پلی آمید ها و حل آنها در حلال ها بود، سپس محلول حاصل را به الیاف تبدیل کرد. یکی از راه حل های او در ظاهر و ساختار اولیه کاملا متفاوت بود. و پس از چرخش، الیاف حاصل به ویژه قوی بودند. از این کشف اولیه، Kevlar ایجاد شد. این ماده نسبت استحکام کششی به وزن بالایی دارد (حدود 5 برابر قوی تر از وزن برابر فولاد است)، و آن را برای بسیاری از کاربردها از لاستیک دوچرخه گرفته تا بادبان و زره بدن مفید می کند.
این ماده بیشتر قدرت خود را مدیون پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های پلیمری است (به فصل فعل و انفعالات بین مولکولی مراجعه کنید). این پیوندها بین اتم اکسیژن گروه کربونیل (که به دلیل الکترونگاتیوی اکسیژن دارای بار منفی جزئی است) روی یک مونومر و اتم هیدروژن با بار مثبت جزئی در پیوند N—H یک مونومر مجاور در ساختار پلیمر تشکیل می شود (نگاه کنید به خطوط خطی در شکل). \(\PageIndex{7}\) قدرت اضافی حاصل از تعامل بین اوربیتالهای p غیر هیبریدی در حلقه های شش عضوی وجود دارد که انباشته شدن آروماتیک نامیده می شود.
کولار ممکن است بیشتر به عنوان جزئی از زره بدن، کلاه ایمنی و ماسک صورت شناخته شود. از دهه 1980، ارتش ایالات متحده از کولار به عنوان بخشی از PASGT (سیستم زره شخصی برای نیروهای زمینی) کلاه و جلیقه استفاده کرده است. کولار همچنین برای محافظت از وسایل نقلیه زرهی جنگی و ناوهای هواپیمابر استفاده می شود. کاربردهای غیرنظامی شامل تجهیزات حفاظتی برای پرسنل خدمات اضطراری مانند زره بدن برای افسران پلیس و لباس مقاوم در برابر حرارت برای آتش نشانان است. لباس های مبتنی بر کولار به طور قابل توجهی سبک تر و نازک تر از دنده های معادل ساخته شده از مواد دیگر است (شکل\(\PageIndex{8}\)). فراتر از کولار، سوزان کوولک در توسعه Nomex، یک ماده ضد آتش، نقش مهمی داشت و همچنین در ایجاد Lycra نقش داشت. او چهارمین زنی بود که به تالار مشاهیر مخترعان ملی راه یافت و تعدادی جایزه دیگر را برای کمک های قابل توجه خود به علم و جامعه دریافت کرد.
علاوه بر کاربردهای شناخته شده تر، Kevlar نیز اغلب در کرایوژنیک برای هدایت حرارتی بسیار کم (همراه با مقاومت بالا) استفاده می شود. کولار استحکام بالای خود را هنگامی که تا دمای نیتروژن مایع (۱۹۶- درجه سانتیگراد) سرد میشود حفظ میکند.
جدول در اینجا ساختارهای مورد بحث در این فصل را خلاصه می کند: