20.4: Amines na Amides

Malengo ya kujifunza

• Eleza muundo na mali ya amine
• Eleza muundo na mali ya amide

Amini ni molekuli zilizo na vifungo vya kaboni-nitrojeni. Atomu ya nitrojeni katika amini ina jozi pekee ya elektroni na vifungo vitatu kwa atomi nyingine, ama kaboni au hidrojeni. Nomenclatures mbalimbali hutumika kupata majina kwa ajili ya amini, lakini yote yanahusisha darasa kutambua suffix -ine kama inavyoonyeshwa hapa kwa mifano michache rahisi:

Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) ni moja ya amine ya heterocyclic. Kiwanja cha heterocyclic kina atomi za elementi mbili au zaidi tofauti katika muundo wake wa pete.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mfano unaonyesha moja ya miundo ya resonance ya pyridine.

DNA katika Forensics na Ubaba

Vifaa vya maumbile kwa vitu vyote vilivyo hai ni polymer ya molekuli nne tofauti, ambazo wenyewe ni mchanganyiko wa subunits tatu. Taarifa ya maumbile, kanuni ya kuendeleza kiumbe, imetolewa katika mlolongo maalum wa molekuli nne, sawa na jinsi barua za alfabeti zinaweza kupangiliwa ili kuunda maneno yanayofikisha habari. Taarifa katika mlolongo wa DNA hutumiwa kuunda aina nyingine mbili za polima, moja ambayo ni protini. Protini huingiliana ili kuunda aina fulani ya viumbe na sifa za kibinafsi.

Molekuli ya maumbile inaitwa DNA, ambayo inasimama kwa asidi deoxyribonucleic. Molekuli nne zinazounda DNA zinaitwa nucleotidi. Kila nucleotide ina molekuli moja au mbili-pete zenye nitrojeni, kaboni, oksijeni, na hidrojeni inayoitwa msingi wa nitrojeni. Kila msingi huunganishwa na sukari ya kaboni tano inayoitwa deoxyribose. Sukari inaunganishwa na kikundi cha phosphate\(\ce{(−PO4^3- )}\) Wakati DNA mpya inafanywa, mmenyuko wa upolimishaji hutokea ambayo hufunga kundi la phosphate la nucleotide moja kwa kundi la sukari la nucleotide ya pili. Msingi wa nitrojeni wa kila nucleotide hutoka kwenye uti wa mgongo huu wa sukari-phosphate. DNA ni kweli sumu kutoka polima mbili hizo coiled kuzunguka kila mmoja na uliofanyika pamoja na vifungo hidrojeni kati ya besi nitrojeni. Hivyo, backbones mbili ni nje ya jozi ya coiled ya strands, na besi ni ndani. Sura ya vipande viwili vilivyojeruhiwa karibu na kila mmoja huitwa helix mara mbili (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Pengine ni busara kwamba mlolongo wa nucleotides katika DNA ya paka hutofautiana na yale ya mbwa. Lakini pia ni kweli kwamba utaratibu wa DNA katika seli za pugs mbili za mtu binafsi hutofautiana. Vivyo hivyo, utaratibu wa DNA ndani yako na ndugu hutofautiana (isipokuwa ndugu yako ni pacha sawa), kama vile wale kati yako na mtu asiyehusiana. Hata hivyo, Utaratibu wa DNA wa watu wawili wanaohusiana ni sawa zaidi kuliko utaratibu wa watu wawili wasiohusiana, na kufanana hizi katika mlolongo zinaweza kuzingatiwa kwa njia mbalimbali. Hii ni kanuni ya nyuma ya uchapishaji wa vidole vya DNA, ambayo ni njia inayotumiwa kuamua kama sampuli mbili za DNA zilitoka kwa watu binafsi wanaohusiana (au sawa) au watu wasiohusiana.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): DNA ni molekuli ya kikaboni na vifaa vya maumbile kwa viumbe hai vyote. (a) DNA ni helix mara mbili yenye DNA mbili single strands hidrojeni bonded pamoja katika kila msingi nitrojeni. (b) Maelezo haya inaonyesha bonding hidrojeni (dotted mistari) kati ya besi nitrojeni katika kila strand DNA na njia ambayo kila nucleotide ni alijiunga na ijayo, na kutengeneza uti wa mgongo wa sukari na makundi phosphate pamoja kila strand. (c) Maelezo haya yanaonyesha muundo wa moja ya nucleotidi nne zinazounda polymer ya DNA. Kila nucleotide ina msingi wa nitrojeni (molekuli ya pete mbili, katika kesi hii), sukari ya kaboni tano (deoxyribose), na kikundi cha phosphate.

Kutumia kufanana katika utaratibu, mafundi wanaweza kuamua kama mtu ni baba wa mtoto (utambulisho wa mama ni mara chache katika shaka, isipokuwa katika kesi ya mtoto aliyepitishwa na mama aliyezaliwa uwezo). Vivyo hivyo, maumbile ya maumbile yanaweza kuamua kama sampuli ya eneo la uhalifu wa tishu za binadamu, kama vile damu au seli za ngozi, ina DNA inayofanana hasa na DNA ya mtuhumiwa.

Kama amonia, amini ni besi dhaifu kutokana na jozi pekee ya elektroni kwenye atomi zao za nitrojeni:

Msingi wa atomi ya nitrojeni ya amine ina jukumu muhimu katika sehemu kubwa ya kemia ya kiwanja. Makundi ya kazi ya Amine hupatikana katika misombo mbalimbali, ikiwa ni pamoja na rangi za asili na za synthetic, polima, vitamini, na dawa kama vile penicillin na codeine. Pia hupatikana katika molekuli nyingi muhimu kwa maisha, kama vile amino asidi, homoni, nyurotransmitters, na DNA.

Alkaloids addictive

Tangu nyakati za kale, mimea imetumiwa kwa madhumuni ya dawa. Darasa moja la vitu, inayoitwa alkaloidi, iliyopatikana katika mimea mingi hii imetengwa na kupatikana kuwa na molekuli za mzunguko na kikundi cha kazi cha amine. Amini hizi ni besi. Wanaweza kuguswa na H ₃ O ⁺ katika asidi ya kuondokana ili kuunda chumvi ya amonia, na mali hii hutumiwa kuwaondoa kutoka kwenye mmea:

\[\ce{R3N + H3O+ + Cl- ⟶[R3NH+]Cl- + H2O} \nonumber \]

Jina alkaloid linamaanisha “kama alkali.” Hivyo, alkaloid humenyuka na asidi. Kiwanja cha bure kinaweza kupatikana baada ya uchimbaji kwa majibu na msingi:

\[\ce{[R3NH+]Cl- + OH- ⟶R3N + H2O + Cl-} \nonumber \]

Miundo ya alkaloids nyingi zinazotokea kwa kawaida zina madhara makubwa ya kisaikolojia na ya kisaikolojia kwa wanadamu. Mifano ya dawa hizi ni pamoja na nikotini, morphine, codeine, na heroin. Mti huu hutoa vitu hivi, kwa pamoja huitwa misombo ya mimea ya sekondari, kama ulinzi wa kemikali dhidi ya wadudu wengi ambao hujaribu kulisha mmea:

Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Poppies inaweza kutumika katika uzalishaji wa afyuni, mpira wa mimea ambayo ina morphine ambayo opiates nyingine, kama vile heroin, inaweza synthesized. (mikopo: Karen Roe)

Amidi ni molekuli ambazo zina atomi za nitrojeni zilizounganishwa na atomi ya kaboni ya kundi la kabonili. Kama amines, sheria mbalimbali za majina zinaweza kutumiwa kutaja amides, lakini zote zinajumuisha matumizi ya kiambishi maalum cha darasa -amide:

Amidi zinaweza kuzalishwa wakati asidi ya kaboksili huguswa na amines au amonia katika mchakato unaoitwa amidation. Molekuli ya maji hutolewa kutokana na mmenyuko, na amide hutengenezwa kutoka vipande vilivyobaki vya asidi ya kaboksili na amine (kumbuka kufanana na malezi ya ester kutoka asidi ya kaboksili na pombe iliyojadiliwa katika sehemu iliyopita):

Majibu kati ya amines na asidi ya carboxylic kuunda amides ni muhimu kwa biolojia. Ni kwa njia ya mmenyuko huu kwamba amino asidi (molekuli zenye mbadala zote za amine na asidi ya kaboksili) zinaunganisha pamoja katika polymer ili kuunda protini.

Protini na Enzym

Protini ni molekuli kubwa za kibiolojia zinazoundwa na minyororo ndefu ya molekuli ndogo zinazoitwa amino asidi. Viumbe hutegemea protini kwa aina mbalimbali za kazi-protini husafirisha molekuli katika utando wa seli, kuiga DNA, na kuchochea athari za kimetaboliki, kwa jina chache tu ya kazi zao. Mali ya protini ni kazi za mchanganyiko wa amino asidi zinazoziandika na zinaweza kutofautiana sana. Ushirikiano kati ya utaratibu wa asidi amino katika minyororo ya protini husababisha kukunja kwa mnyororo katika miundo maalum, mitatu ambayo huamua shughuli za protini.

Asidi amino ni molekuli za kikaboni ambazo zina kundi la kazi ya amine (—NH ₂), kundi la kazi la asidi ya kaboksili (—COOH), na mnyororo wa upande (yaani maalum kwa kila asidi amino binafsi). Vitu vingi vilivyo hai hujenga protini kutoka kwa asidi 20 tofauti za amino. Asidi amino huungana na kuundwa kwa dhamana ya peptidi, ambayo ni dhamana ya covalent inayoundwa kati ya asidi amino mbili wakati kundi la asidi ya kaboksili la asidi amino moja humenyuka na kundi la amino la asidi nyingine ya amino. Kuundwa kwa matokeo ya dhamana katika uzalishaji wa molekuli ya maji (kwa ujumla, athari zinazosababisha uzalishaji wa maji wakati molekuli nyingine mbili zinachanganya hujulikana kama athari za condensation). Mfungo-kati ya kundi la kabonili atomi ya kaboni na atomi ya nitrojeni ya amine inaitwa kiungo cha peptidi au dhamana ya peptidi. Kwa kuwa kila moja ya asidi amino ya awali ina kundi lisilojitokeza (moja ina amine isiyojitokeza na nyingine asidi ya kaboksili isiyofanywa), vifungo vingi vya peptidi vinaweza kuunda hadi asidi nyingine za amino, kupanua muundo. (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) Mlolongo wa amino asidi iliyounganishwa huitwa polypeptide. Protini zina angalau mlolongo mmoja wa polipeptidi mrefu.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mmenyuko huu wa condensation huunda dipeptide kutoka asidi mbili za amino na husababisha kuundwa kwa maji.

Enzymes ni molekuli kubwa za kibiolojia, hasa linajumuisha protini, ambazo zinawajibika kwa maelfu ya michakato ya kimetaboliki inayotokea katika viumbe hai. Enzymes ni vichocheo maalum sana; huharakisha viwango vya athari fulani. Enzymes hufanya kazi kwa kupunguza nishati ya uanzishaji wa majibu ambayo huchochea, ambayo inaweza kuongeza kasi ya majibu. Athari nyingi zilizochochewa na enzymes zina viwango ambavyo ni mamilioni ya nyakati kwa kasi zaidi kuliko toleo la noncatalized. Kama vichocheo vyote, enzymes hazitumiwi wakati wa athari ambazo zinachochea. Enzymes hutofautiana na vichocheo vingine katika jinsi maalum kwa substrates zao (molekuli ambazo enzyme itabadilika kuwa bidhaa tofauti). Kila enzyme ina uwezo tu wa kuharakisha athari moja au chache maalum au aina ya athari. Kwa kuwa kazi ya enzymes ni maalum sana, ukosefu au utendaji mbaya wa enzyme unaweza kusababisha madhara makubwa ya afya. Ugonjwa mmoja ambao ni matokeo ya malfunction ya enzyme ni phenylketonuria. Katika ugonjwa huu, enzyme ambayo huchochea hatua ya kwanza katika uharibifu wa phenylalanine ya amino asidi haifanyi kazi (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Bila kutibiwa, hii inaweza kusababisha mkusanyiko wa phenylalanine, ambayo inaweza kusababisha ulemavu wa akili.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): utoaji wa kompyuta unaonyesha muundo wa tatu-dimensional wa enzyme phenylalanine hydroxylase. Katika ugonjwa phenylketonuria, kasoro katika sura ya phenylalanine hydroxylase husababisha kupoteza kazi yake katika kuvunja phenylalanine.

Kevlar

Kevlar (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)) ni polymer ya synthetic iliyotengenezwa kutoka monoma mbili 1,4-phenylene-diamine na kloridi ya terephthaloyl (Kevlar ni alama ya biashara iliyosajiliwa ya DuPont). Matumizi ya kwanza ya kibiashara ya Kevlar yalikuwa kama mbadala ya chuma katika matairi ya racing. Kevlar ni kawaida spun katika kamba au nyuzi. Vifaa vina uwiano mkubwa wa nguvu hadi uzito (ni karibu mara 5 zaidi kuliko uzito sawa wa chuma), na kuifanya kuwa muhimu kwa maombi mengi kutoka kwa matairi ya baiskeli kwa sails kwa silaha za mwili.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Mfano huu unaonyesha formula ya Kevlar ya polymeric.

Vifaa vina nguvu nyingi kwa vifungo vya hidrojeni kati ya minyororo ya polymer (rejea kwenye sura ya mwingiliano wa intermolecular). Hizi vifungo fomu kati ya kundi carbonyl oksijeni atomi (ambayo ina sehemu hasi malipo kutokana na electronegativity oksijeni) juu ya monoma moja na sehemu chanya kushtakiwa chembe hidrojeni katika N-H dhamana ya monoma karibu katika muundo polymer (dashed mistari katika Kielelezo\(\PageIndex{7}\)). Kuna nguvu zaidi inayotokana na mwingiliano kati ya orbitals unhybridized p katika pete sita membered, aitwaye stacking kunukia.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Mchoro unaonyesha muundo wa polymer wa Kevlar, na vifungo vya hidrojeni kati ya minyororo ya polymer iliyowakilishwa na mistari yenye rangi.

Kevlar inaweza kuwa anafahamika zaidi kama sehemu ya silaha za mwili, helmeti za kupambana, na masks ya uso. Tangu miaka ya 1980, jeshi la Marekani limetumia Kevlar kama sehemu ya PASGT (mfumo wa silaha binafsi kwa askari wa ardhi) kofia na vest. Kevlar pia hutumiwa kulinda magari ya mapigano ya kivita na flygbolag za ndege. Maombi ya kiraia yanajumuisha gear ya kinga kwa wafanyakazi wa huduma za dharura kama silaha za mwili kwa maafisa wa polisi na mavazi ya joto ya wapiganaji Mavazi ya msingi ya Kevlar ni nyepesi sana na nyembamba kuliko gear sawa iliyofanywa kutoka kwa vifaa vingine (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): (a) Askari hawa ni kuchagua kupitia vipande vya kofia ya Kevlar iliyosaidia kunyonya mlipuko wa grenade. Kevlar pia hutumiwa kutengeneza (b) mitumbwi na (c) mistari ya kuendesha baharini. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Cla68" /Wikimedia Commons; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “OakleyOriginals” /Flickr; mikopo c: mabadiliko ya kazi na Casey H. Kyhl)

Mbali na matumizi yake inayojulikana zaidi, Kevlar pia hutumiwa mara nyingi katika cryogenics kwa conductivity yake ya chini sana ya mafuta (pamoja na nguvu zake za juu). Kevlar inaendelea nguvu zake za juu wakati kilichopozwa hadi halijoto ya nitrojeni kiowevu (—196 °C).

Jedwali hapa linafupisha miundo iliyojadiliwa katika sura hii:

Muhtasari

Kuongezewa kwa nitrojeni katika mfumo wa kikaboni husababisha familia mbili za molekuli. Misombo iliyo na atomi ya nitrojeni iliyofungwa katika mfumo wa hidrokaboni huwekwa kama amines. Misombo ambayo ina atomi ya nitrojeni iliyounganishwa upande mmoja wa kundi la kabonili huainishwa kama amidi. Amines ni kundi la msingi la kazi. Amines na asidi ya kaboksili zinaweza kuchanganya katika mmenyuko wa condensation ili kuunda amides.

faharasa

amine

molekuli ya kikaboni ambayo atomi ya nitrojeni inaunganishwa na kundi moja au zaidi ya alkyl

amide

molekuli ya kikaboni ambayo ina atomi ya nitrojeni iliyounganishwa na atomi ya kaboni katika kundi la carbonyl