Цвиттерион

В химии цвиттерион (; из немецкого Цвиттера 'гермафродит '), также называемая внутренней солью, представляет собой молекулу который содержит равное количество положительно и отрицательно заряженных функциональных групп. Для аминокислот, например, в растворе будет установлено химическое равновесие между «родительской» молекулой и цвиттерионом.

Бетаины представляют собой цвиттерионы, которые не могут изомеризоваться до полностью нейтральной формы, например, когда положительный заряд находится на группе четвертичного аммония. Точно так же молекула, содержащая фосфониевую группу и карбоксилатную группу, не может изомеризоваться.

Содержание

• 1 Аминокислоты
• 2 Другие соединения
• 3 Теоретические исследования
• 4 Бетаины и аналогичные соединения
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

Аминокислоты

An аминокислота содержит как кислотный (фрагмент карбоновой кислоты), так и основные (фрагмент амина) центры. Изомер справа - цвиттерион.

Равновесие устанавливается в две стадии. На одной стадии протон передается от карбоксильной группы к молекуле воды.

H. 2N (R) CO. 2H + H. 2O ⇌ H. 2N (R) CO-. 2 + H. 3O +.

На другой стадии переносится протон от иона гидроксония до аминогруппы

H. 2N (R) CO-. 2 + H. 3O +. ⇌ H. 3N +. (R) CO-. 2 + H. 2O

В целом реакция представляет собой реакцию изомеризации

H. 2N (R) CO. 2H ⇌ H. 3N +. (R) CO-. 2

Соотношение концентраций двух веществ в растворе не зависит от pH, поскольку оно равно значению константы равновесия K для реакции изомеризации.

$К\; знак\; равно\; [H\; 3\; N\; +\; (R)\; CO\; 2\; -]\; [H\; 2\; N\; (R)\; CO\; 2\; H]\; \{\backslash \; displaystyle\; K\; =\; \backslash \; mathrm\; \{\backslash \; frac\; \{[H\_\; \{3\}\; N\; ^\; \{+\}\; (\; R)\; CO\_\; \{2\}\; ^\; \{-\}]\}\; \{[H\_\; \{2\}\; N\; (R)\; CO\_\; \{2\}\; H]\}\}\}$

[X] означает концентрацию химического вещества X в состоянии равновесия. Обычно предполагается, что K>1, то есть цвиттерион является преобладающим изомером аминокислоты в водном растворе. На основе теоретического анализа было высказано предположение, что цвиттерион стабилизируется в водном растворе за счет водородной связи с молекулами растворителя воды. Анализ данных дифракции нейтронов для глицина показал, что он находится в цвиттерионной форме в твердом состоянии, и подтвердил наличие водородных связей. Теоретические расчеты были использованы, чтобы показать, что цвиттерионы могут также присутствовать в газовой фазе в некоторых случаях, отличных от простого переноса карбоновой кислоты на амин.

pKaзначения для депротонирования общие аминокислоты охватывают приблизительный диапазон 2,15 ± 0,2. Это также согласуется с тем, что цвиттерион является преобладающим изомером, присутствующим в водном растворе. Для сравнения: простая карбоновая кислота пропионовая кислота (CH. 3CH. 2CO. 2H) имеет значение pK a, равное 4,88.

Другие соединения

• 

  Изомеры сульфаминовой кислоты с цвиттерионом (справа)

• 

  Антраниловая кислота

• 

  Структура H4ЭДТА

Сульфаминовая кислота кристаллизуется в цвиттерионе

В кристаллах антраниловой кислоты в элементарной ячейке находятся две молекулы. Одна молекула находится в форме цвиттер-иона, другая - нет.

В твердом состоянии H4ЭДТА представляет собой цвиттер-ион, в котором два протона перенесены с групп карбоновой кислоты на атомы азота.

Теоретические исследования

пиридоксальфосфат

Хотя равновесие в растворе между соединением и его цвиттер-ионным изомером невозможно изучить экспериментально, некоторое понимание можно получить из результатов теоретических расчетов. Хороший пример - пиридоксальфосфат, форма витамина B 6. Было предсказано достижение таутомерного равновесия в водном растворе этого соединения, благоприятствующего цвиттериону, в котором протон переносится от фенольной -ОН-группы к атому азота.

Бетаины и подобные соединения

Соединение триметилглицин, которое было выделено из сахарной свеклы, было названо «бетаин». Позже были обнаружены другие соединения, которые содержат тот же структурный мотив, четвертичный атом азота с группой карбоксилат, присоединенной к нему через связь –CH 2–. В настоящее время все соединения, в структуру которых входит этот мотив, известны как бетаины. Бетаины не изомеризуются, поскольку химические группы, присоединенные к атому азота, не лабильны. Эти соединения можно классифицировать как постоянные цвиттерионы, поскольку изомеризация в молекулу без электрических зарядов не происходит или происходит очень медленно.

Другие примеры постоянных цвиттерионов включают фосфатидилхолины и псилоцибин, который также содержит четвертичный атом азота, но с отрицательно заряженной фосфатной группой вместо карбоксилатной группы; и легочные поверхностно-активные вещества, такие как дипальмитоилфосфатидилхолин.

• 

  Триметилглицин (тривиальное название бетаин)

• 

  Пример фосфатидилхолина

• 

  Псилоцибин

• 

  лаурамидопропилбетаин. из кокамидопропилбетаина

См. также

• Азометин-илид

Ссылки