Amino acid là hợp chất hữu cơ tạp chức, trong phân tử đồng thời chứa nhóm amino –NH2 và nhóm carboxyl –COOH. Các amino acid thiên nhiên tạo nên protein hầu hết là alpha-amino acid, nghĩa là nhóm –NH2 gắn vào nguyên tử carbon liền kề nhóm –COOH. Công thức chung của alpha-amino acid đơn giản nhất là H2N–CHR–COOH, trong đó R là nguyên tử hydrogen hoặc gốc hydrocarbon.
Vì phân tử chứa cùng lúc một nhóm mang tính base (–NH2) và một nhóm mang tính acid (–COOH), proton của nhóm carboxyl chuyển sang nhóm amino ngay trong nội bộ phân tử. Kết quả là ở trạng thái rắn và trong dung dịch, amino acid tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực (zwitterion): H3N+–CHR–COO–. Chính cấu trúc ion này giải thích vì sao amino acid là chất rắn kết tinh, không màu, có nhiệt độ nóng chảy cao và tan tốt trong nước — khác hẳn amine hay carboxylic acid có phân tử khối tương đương.
Bên cạnh tên thay thế, chương trình dùng chủ yếu tên thường của năm amino acid dưới đây. Cần thuộc công thức, phân tử khối và tỉ lệ số nhóm –NH2 so với số nhóm –COOH, vì tỉ lệ này quyết định toàn bộ phần tính toán và cả màu quỳ tím.
| Tên thường | Công thức cấu tạo | Phân tử khối | Số –NH2 : –COOH | pI | Quỳ tím |
|---|---|---|---|---|---|
| Glycine | H2N–CH2–COOH | 75 | 1 : 1 | 5,97 | không đổi màu |
| Alanine | CH3–CH(NH2)–COOH | 89 | 1 : 1 | 6,00 | không đổi màu |
| Valine | (CH3)2CH–CH(NH2)–COOH | 117 | 1 : 1 | 5,96 | không đổi màu |
| Lysine | H2N–(CH2)4–CH(NH2)–COOH | 146 | 2 : 1 | 9,74 | hoá xanh |
| Glutamic acid | HOOC–(CH2)2–CH(NH2)–COOH | 147 | 1 : 2 | 3,22 | hoá đỏ |
Quy tắc đọc màu quỳ tím rất gọn: đếm hai nhóm chức rồi so. Số nhóm –NH2 nhiều hơn số nhóm –COOH thì dung dịch có môi trường base, quỳ hoá xanh (lysine). Số nhóm –COOH nhiều hơn thì môi trường acid, quỳ hoá đỏ (glutamic acid). Bằng nhau thì dung dịch gần trung tính, quỳ không đổi màu (glycine, alanine, valine).
Amino acid tác dụng được với cả dung dịch acid mạnh và dung dịch base mạnh, nên nó là chất lưỡng tính.
Tác dụng với acid, nhóm –NH2 nhận proton tạo muối ammonium: H2N–CH2–COOH + HCl tạo ra ClH3N–CH2–COOH. Tác dụng với base, nhóm –COOH nhường proton tạo muối carboxylate: H2N–CH2–COOH + NaOH tạo ra H2N–CH2–COONa và H2O.
Tỉ lệ mol phản ứng bám đúng số nhóm chức: số mol HCl tối đa bằng số mol amino acid nhân số nhóm –NH2; số mol NaOH tối đa bằng số mol amino acid nhân số nhóm –COOH. Một mol lysine ăn được 2 mol HCl, một mol glutamic acid ăn được 2 mol NaOH.
Điểm đẳng điện pI là giá trị pH mà ở đó amino acid tồn tại chủ yếu dưới dạng ion lưỡng cực trung hoà về điện, nên khi đặt trong điện trường nó không di chuyển về cực nào.
Khi pH của dung dịch nhỏ hơn pI, môi trường dư proton, phân tử nhận thêm proton và tồn tại chủ yếu ở dạng cation, do đó di chuyển về cực âm của điện trường. Khi pH của dung dịch lớn hơn pI, môi trường thiếu proton, phân tử nhường proton và tồn tại chủ yếu ở dạng anion, do đó di chuyển về cực dương. Cách nhớ ngắn: môi trường acid thì tích điện dương, chạy về cực trái dấu là cực âm.
Amino acid có nhiều nhóm –COOH thì pI nhỏ (glutamic acid pI bằng 3,22); nhiều nhóm –NH2 thì pI lớn (lysine pI bằng 9,74); cân bằng hai nhóm thì pI xấp xỉ 6.
Nhóm –COOH của amino acid phản ứng với alcohol khi có xúc tác acid khan, tạo ester giống hệt carboxylic acid: H2N–CH2–COOH tác dụng với C2H5OH (xúc tác HCl khan) tạo H2N–CH2–COOC2H5 và H2O. Ester của glycine với ethanol có phân tử khối bằng 103.
Các amino acid mà nhóm –NH2 và nhóm –COOH cách nhau đủ xa (từ vị trí epsilon trở đi) có thể trùng ngưng: nhóm –COOH của phân tử này tách nước với nhóm –NH2 của phân tử kia, tạo liên kết amide –CO–NH–. Sản phẩm là polyamide, chính là tơ.
Thí dụ, trùng ngưng n phân tử H2N–(CH2)5–COOH thu được (–NH–(CH2)5–CO–)n tức tơ capron, đồng thời tách ra n phân tử H2O. Cần nhớ số phân tử nước tách ra đúng bằng n vì mỗi phân tử monomer đóng góp một nhóm –COOH và một nhóm –NH2, mạch khép kín theo dây chuyền.
Vì sao amino acid là chất rắn kết tinh, nóng chảy cao và tan tốt trong nước, khác hẳn các acid hữu cơ cùng phân tử khối? Vì trong tinh thể nó không tồn tại ở dạng phân tử trung hoà mà ở dạng ion lưỡng cực: proton của nhóm –COOH đã nhảy sang nhóm –NH2 ngay trong cùng một phân tử. Chất rắn khi đó là một mạng ion, lực hút tĩnh điện mạnh hơn hẳn lực Van der Waals nên nhiệt độ nóng chảy cao (glycine nóng chảy ở 233 °C trong khi propanoic acid, M gần bằng, sôi ở 141 °C) và tan tốt trong dung môi phân cực.
Vì sao amino acid vừa phản ứng được với acid vừa phản ứng được với base? Vì hai nhóm chức trái dấu nằm sẵn trên cùng một phân tử: nhóm –NH2 nhận proton của HCl, nhóm –COOH nhường proton cho NaOH. Đây là tính lưỡng tính thật sự, không phải "vừa acid vừa base tuỳ ý": mỗi nhóm chỉ làm đúng một việc, nên khi lập tỉ lệ mol phải đếm riêng số nhóm –NH2 để tính HCl và số nhóm –COOH để tính NaOH.
Thiếu điều kiện thì hỏng ở đâu? Trùng ngưng amino acid cần đun nóng và có xúc tác; không đủ nhiệt thì nước không tách được và phản ứng dừng ở mức tạo vài liên kết peptide, sản phẩm chỉ là peptide ngắn chứ không thành polyamide. Điện di cần dung dịch đệm giữ đúng pH; pH trôi về gần pI thì các amino acid gần như đứng yên và không tách được nhau nữa.
Vậy công thức phân tử của valine là C5H11NO2. Kiểm nhanh bằng công thức tổng quát của amino acid no, mạch hở, một nhóm –NH2 và một nhóm –COOH: CnH2n+1NO2; với n = 5 thì H = 11, khớp.
Phân tử valine có đúng một nhóm –NH2 và đúng một nhóm –COOH. Tính base của nhóm amino và tính acid của nhóm carboxyl bù trừ nhau nên dung dịch gần trung tính; điểm đẳng điện của valine là 5,96, rất sát 6. Kết luận: quỳ tím không đổi màu.
Trong dung dịch, valine tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực (CH3)2CH–CH(NH3+)–COO–, tổng điện tích bằng 0 — xem hình ba dạng ở phần lý thuyết.
Nếu quy tắc "đếm nhóm chức" đúng thì lysine H2N–(CH2)4–CH(NH2)–COOH (2 nhóm –NH2, 1 nhóm –COOH) phải làm quỳ hoá xanh và glutamic acid HOOC–(CH2)2–CH(NH2)–COOH (1 nhóm –NH2, 2 nhóm –COOH) phải làm quỳ hoá đỏ. Thực nghiệm đúng như vậy (pI của lysine 9,74; của glutamic acid 3,22), nên cách suy luận dùng cho valine là đáng tin.
Valine: C5H11NO2, M = 117, dung dịch không làm đổi màu quỳ tím vì số nhóm –NH2 bằng số nhóm –COOH.
Đừng kết luận theo chữ "acid" trong tên gọi: glutamic acid làm quỳ hoá đỏ nhưng valine, alanine, glycine thì không đổi màu dù tên cũng là amino acid. Bẫy đếm nguyên tử: quên 2 hydrogen của nhóm –NH2 thì ra C5H9NO2 với M = 115 thay vì 117 — lệch 2 đơn vị, đủ để chọn nhầm phương án.
Ở pH = 2 thì pH < pI = 6,00. Môi trường thừa proton nên nhóm carboxylate –COO– của ion lưỡng cực nhận lại proton và quay về dạng –COOH, còn nhóm –NH3+ giữ nguyên điện tích dương.
Ở pH = 2 phân tử tồn tại chủ yếu ở dạng cation CH3–CH(NH3+)–COOH. Hạt mang điện dương bị hút về điện cực trái dấu, tức cực âm.
Lúc này pH > pI, môi trường nghèo proton nên nhóm –NH3+ nhường proton thành –NH2, nhóm carboxyl ở dạng –COO–. Tổng điện tích −1, tức anion CH3–CH(NH2)–COO–, chạy về cực dương.
Đặt pH đúng bằng 6,00: hai kết luận trên phải gặp nhau ở chỗ điện tích bằng 0 và phân tử đứng yên. Đúng như vậy — đó chính là định nghĩa của điểm đẳng điện, và cũng là mẹo kiểm tra: nếu lời giải của bạn cho ra "đứng yên" ở pH khác pI thì chắc chắn đã lẫn dấu.
pH = 2: dạng cation, di chuyển về cực âm. pH = 10: dạng anion, di chuyển về cực dương.
Nhớ máy móc "môi trường acid thì về cực dương" là sai ngược hoàn toàn. Đường mòn đúng gồm hai nhịp: pH thấp thì phân tử nhận proton nên tích điện dương; hạt dương đi về cực âm. Bỏ nhịp thứ nhất là đảo cực ngay.
Tỉ lệ 1 : 1 xác nhận X chỉ có một nhóm –COOH, khớp với dữ kiện đề. Nhóm –NH2 không phản ứng với NaOH nên không ảnh hưởng tới tỉ lệ này.
Muối là H2N–R–COONa.
Thay một nguyên tử H của nhóm –COOH bằng nguyên tử Na làm phân tử khối tăng 23 − 1 = 22 (chứ không phải 40).
$$M_X = 111 - 22 = 89$$Amino acid no, mạch hở, một nhóm –NH2 và một nhóm –COOH có công thức CnH2n+1NO2, tức M = 14n + 47.
$$14n + 47 = 89 \Rightarrow n = 3$$Vậy X là C3H7NO2: alanine, CH3–CH(NH2)–COOH. Đồng phân cùng công thức phân tử là β-alanine H2N–CH2–CH2–COOH, nhưng amino acid thiên nhiên và chương trình phổ thông lấy dạng α, tức alanine.
Hai vế bằng nhau nên M = 89 và kết luận alanine là đáng tin.
X là alanine CH3–CH(NH2)–COOH, công thức phân tử C3H7NO2, M = 89.
Lấy độ tăng phân tử khối là 40 (khối lượng NaOH) thay vì 22 thì ra MX = 71, không ứng với amino acid nào. Bẫy ngược lại là quên trừ, lấy luôn 111 và kết luận X là valine (M = 117) hoặc một chất M = 111 không tồn tại.
Glycine H2N–CH2–COOH có công thức phân tử C2H5NO2, M = 2·12 + 5 + 14 + 32 = 75.
$$n_{\text{glycine}} = \frac{15{,}0}{75} = 0{,}2\ \text{mol}$$Mỗi monomer mang sẵn cả nhóm –NH2 lẫn nhóm –COOH nên n phân tử glycine tách ra đúng n phân tử nước, không phải n − 1. Mắt xích –NH–CH2–CO– nặng 75 − 18 = 57.
0,16 mol glycine cho 0,16 mol mắt xích trong mạch polymer và 0,16 mol nước.
Phần glycine đã phản ứng nặng 0,16 × 75 = 12,0 gam; sản phẩm 9,12 + 2,88 = 12,0 gam. Khớp. Ngoài ra hỗn hợp còn 0,04 mol glycine chưa phản ứng, tức 3,0 gam — cộng vào vừa đúng 15,0 gam ban đầu.
Thu được 9,12 gam polymer và 2,88 gam nước.
Lấy khối lượng mắt xích là 75 (quên trừ nước) thì ra 12,0 gam polymer, và khi cộng thêm 2,88 gam nước sẽ vượt quá khối lượng glycine đã phản ứng — bảo toàn khối lượng bắt lỗi ngay. Bẫy thứ hai là dùng "n − 1 phân tử nước" như bài nối n mảnh gỗ: với 0,16 mol thì n − 1 gần như bằng n, nhưng cách nghĩ đó sẽ sai hẳn khi đề hỏi về một peptide ngắn — nối 3 amino acid thành tripeptide thì chỉ tách 2 phân tử nước, vì hai đầu mạch vẫn còn –NH2 và –COOH tự do.