Hợp chất chứa nitrogen

Chủ đề amine – amino acid – peptide – protein thường có 2–3 câu nhiều lựa chọn (bậc amine, môi trường dung dịch, liên kết peptide), một câu đếm phát biểu đúng và một bài tính khối lượng muối hoặc phân tử khối peptide. Ba ý tưởng xuyên suốt: nguyên tử N còn cặp electron riêng (tính base), nhóm COOH (tính acid) và liên kết peptide –CO–NH– bị thủy phân.

Kiến thức trọng tâm

Amine: khái niệm, bậc, danh pháp

Thay một hay nhiều nguyên tử H trong phân tử $\ce{NH3}$ bằng gốc hydrocarbon ta được amine. Bậc amine = số gốc hydrocarbon liên kết với nguyên tử N.

Tên gốc chức = tên gốc hydrocarbon + amine; tên thay thế = tên hydrocarbon (bỏ chữ e cuối) + vị trí nhóm $\ce{NH2}$ + amine; gốc hydrocarbon gắn vào N ghi kèm chữ N.

• $\ce{CH3NH2}$ — bậc I: methylamine; methanamine.
• $\ce{C2H5NH2}$ — bậc I: ethylamine; ethanamine.
• $\ce{CH3CH(NH2)CH3}$ — bậc I: isopropylamine; propan-2-amine.
• $\ce{CH3NHCH3}$ — bậc II: dimethylamine; N-methylmethanamine.
• $\ce{(CH3)3N}$ — bậc III: trimethylamine; N,N-dimethylmethanamine.
• $\ce{C6H5NH2}$ — bậc I: phenylamine (aniline); benzenamine.

Số đồng phân amine: $\ce{C2H7N}$ có 2, $\ce{C3H9N}$ có 4, $\ce{C4H11N}$ có 8. Amine no, đơn chức, mạch hở: $\ce{C_{n}H_{2n+3}N}$.

Tính chất vật lí: methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine là chất khí ở điều kiện thường, mùi khai, tan nhiều trong nước. Aniline là chất lỏng không màu, ít tan trong nước, để lâu ngoài không khí hóa nâu đen vì bị oxi hóa.

Tính chất hóa học của amine

Tính base (do cặp electron riêng của N):

Lực base: $\ce{(CH3)2NH} > \ce{CH3NH2} > \ce{NH3} > \ce{C6H5NH2}$. Dung dịch alkylamine làm quỳ tím hóa xanh, phenolphthalein hóa hồng; aniline không làm đổi màu quỳ tím. Dung dịch alkylamine tạo kết tủa nâu đỏ với muối iron(III):

Phản ứng với nitrous acid: amine bậc một no giải phóng khí nitrogen ở nhiệt độ thường; aniline ở 0–5 °C tạo muối diazonium (dùng sản xuất phẩm nhuộm azo):

Phản ứng thế ở vòng thơm của aniline — kết tủa trắng 2,4,6-tribromoaniline:

Điều chế, ứng dụng: aniline được điều chế bằng cách khử nitrobenzene (Fe + HCl); dùng sản xuất phẩm nhuộm, dược phẩm, polymer.

Amino acid

Amino acid là hợp chất hữu cơ tạp chức, phân tử chứa đồng thời nhóm amino $\ce{-NH2}$ và nhóm carboxyl $\ce{-COOH}$. Các amino acid trong protein đều là α-amino acid (nhóm $\ce{NH2}$ gắn ở carbon cạnh nhóm COOH).

• Glycine (Gly), $M = 75$: $\ce{H2NCH2COOH}$ — quỳ tím không đổi màu.
• Alanine (Ala), $M = 89$: $\ce{CH3CH(NH2)COOH}$ — quỳ tím không đổi màu.
• Valine (Val), $M = 117$: $\ce{(CH3)2CHCH(NH2)COOH}$ — quỳ tím không đổi màu.
• Glutamic acid (Glu), $M = 147$: $\ce{HOOC[CH2]2CH(NH2)COOH}$ — quỳ tím hóa hồng (đỏ).
• Lysine (Lys), $M = 146$: $\ce{H2N[CH2]4CH(NH2)COOH}$ — quỳ tím hóa xanh.

Tên thay thế: glycine là 2-aminoethanoic acid, alanine là 2-aminopropanoic acid. Monosodium glutamate (muối của glutamic acid) là bột ngọt.

Tính chất vật lí: chất rắn kết tinh, nhiệt độ nóng chảy cao, dễ tan trong nước — vì amino acid tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực $\ce{H3N^+-CH2-COO^-}$.

Tính lưỡng tính:

Phản ứng ester hóa (khí HCl làm xúc tác) và trùng ngưng (các ε- hoặc ω-amino acid tạo polyamide):

Tính điện di: trong điện trường, amino acid mang điện dương (môi trường pH thấp) di chuyển về cực âm, mang điện âm (pH cao) di chuyển về cực dương. Tại pH bằng điểm đẳng điện (pI), amino acid hầu như không di chuyển. Ví dụ pI của Gly khoảng 6,0; của Glu khoảng 3,2; của Lys khoảng 9,7.

Peptide

Liên kết –CO–NH– giữa hai đơn vị α-amino acid gọi là liên kết peptide. Peptide chứa 2–10 gốc α-amino acid là oligopeptide, nhiều hơn 10 gốc là polypeptide. Peptide tạo từ $n$ gốc có $n - 1$ liên kết peptide. Viết tên từ đầu N (còn nhóm $\ce{NH2}$) sang đầu C (còn nhóm COOH): Gly-Ala khác Ala-Gly.

Thủy phân hoàn toàn (acid, base hoặc enzyme) tạo các α-amino acid:

Phản ứng màu biuret: peptide có từ 2 liên kết peptide trở lên (tripeptide trở lên) tác dụng với $\ce{Cu(OH)2}$ trong môi trường kiềm tạo hợp chất màu tím; dipeptide không có phản ứng này.

Protein và enzyme

Protein là những polypeptide cao phân tử (phân tử khối từ vài chục nghìn đến vài triệu). Protein đơn giản chỉ gồm các chuỗi polypeptide; protein phức tạp có thêm thành phần "phi protein" (nucleic acid, lipid, carbohydrate…).

Enzyme là chất xúc tác sinh học, phần lớn có bản chất protein. Đặc điểm: tính chọn lọc cao (mỗi enzyme xúc tác cho một hoặc một số phản ứng nhất định), tốc độ xúc tác rất lớn, chỉ hoạt động tốt ở nhiệt độ và pH thích hợp. Ứng dụng: lên men, sản xuất bia, chế biến thực phẩm, chất giặt rửa sinh học, y học.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Môi trường dung dịch và tính điện di (đúng/sai)

Xem lời giải

• a) Đúng. pI của Gly khoảng 6,0 nên ở pH 6,0 glycine tồn tại chủ yếu dạng ion lưỡng cực, tổng điện tích bằng 0.
• b) Sai. pI của Lys (khoảng 9,7) lớn hơn 6,0 → lysine mang điện dương → di chuyển về cực âm.
• c) Đúng. pI của Glu (khoảng 3,2) nhỏ hơn 6,0 → glutamic acid mang điện âm → về cực dương.
• d) Đúng. Ở pH = 1 (thấp hơn pI của cả ba), các nhóm amino đều bị proton hóa, các nhóm COOH hầu như không phân li → cả ba mang điện dương, về cực âm.

Dạng 2: Amine tác dụng với acid

Xem lời giải

1. Bảo toàn khối lượng: $m_{\ce{HCl}} = 17{,}7 - 10{,}4 = 7{,}3$ g → $n_{\ce{HCl}} = 0{,}2$ mol = tổng số mol amine.
2. Gọi $a$, $b$ là số mol $\ce{C2H5NH2}$ ($M = 45$) và $\ce{C3H7NH2}$ ($M = 59$): $a + b = 0{,}2$ và $45a + 59b = 10{,}4$ → $a = b = 0{,}1$ mol.

Dạng 3: Amino acid lưỡng tính

Xem lời giải

a) $n_{\ce{HCl}} = \dfrac{12{,}55 - 8{,}9}{36{,}5} = 0{,}1$ mol $= n_X$ → $M_X = 89$ → X là alanine $\ce{CH3CH(NH2)COOH}$.

b) NaOH phản ứng với nhóm COOH của X và với HCl (dù HCl đã kết hợp với X hay còn tự do): $n_{\ce{NaOH}} = 0{,}15 + 0{,}2 = 0{,}35$ mol → $V = \dfrac{0{,}35}{2} = 0{,}175$ L = 175 mL.

Dạng 4: Thủy phân peptide

Xem lời giải

1. $M_{\text{Ala-Gly-Val}} = 89 + 75 + 117 - 2 \cdot 18 = 245$.
2. Tripeptide + 3NaOH → 3 muối + 1 $\ce{H2O}$. Muối gồm 0,1 mol mỗi chất: $\ce{CH3CH(NH2)COONa}$ (111), $\ce{H2NCH2COONa}$ (97), $\ce{(CH3)2CHCH(NH2)COONa}$ (139).
3. Khối lượng muối $= 0{,}1 \cdot (111 + 97 + 139) = 34{,}7$ g. Kiểm tra bằng bảo toàn khối lượng: $24{,}5 + 0{,}3 \cdot 40 - 0{,}1 \cdot 18 = 34{,}7$ g.
4. Số tripeptide $= 3! = 6$.

Dạng 5: Đếm phát biểu đúng

Xem lời giải

(a) sai: tính base của aniline rất yếu, không đổi màu quỳ. (c) sai: dipeptide chỉ có 1 liên kết peptide, không có phản ứng biuret. (b), (d), (e) đúng → 3 phát biểu đúng.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Gọi tên thay thế và cho biết bậc của $\ce{CH3NHC2H5}$.

Xem đáp án

N-methylethanamine, amine bậc hai.

2. Cho 4,65 g aniline tác dụng với nước bromine dư. Tính khối lượng kết tủa thu được. (H = 1; C = 12; N = 14; Br = 80.)

Xem đáp án

$n = 0{,}05$ mol → 0,05 mol $\ce{C6H2Br3NH2}$ ($M = 330$) → 16,5 g.

3. Sắp xếp theo chiều tăng dần lực base: ammonia, aniline, methylamine, dimethylamine.

Xem đáp án

Aniline < ammonia < methylamine < dimethylamine.

4. Phân tử khối của tripeptide Gly-Gly-Ala là bao nhiêu?

Xem đáp án

$75 \cdot 2 + 89 - 2 \cdot 18 = 203$.

5. Vì sao khi nấu canh cua, phần "riêu cua" nổi lên thành từng mảng?

Xem đáp án

Protein tan trong nước cua bị đông tụ khi đun nóng, kết lại thành mảng nhẹ hơn nước và nổi lên.