Занятие 6. Задачи на вывод формул биоорганических молекул

Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Занятие 6.
Задачи на вывод формул биоорганических молекул
Это занятие будет посвящено установлению формул биологически важных соединений:
аминокислот и пептидов, жиров, углеводов, нуклеотидов и нуклеозидов.
Все задачи, которые мы будем рассматривать в рамках этого занятия, взяты из вступительных
экзаменов в МГУ.
Прежде, чем мы приступим к разбору задач, несколько существенных моментов, касающихся
строения биоорганических молекул.
Жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта (глицерина) и жирных кислот. В состав
молекул жиров входят, как правило, остатки неразветвленных предельных или непредельных (но
только с двойными связями) карбоновых кислот с четным числом атомов углерода в цепи (нечетное
число атомов углерода в радикале + углерод карбоксильной группы). Минимальное число атомов в
кислотах, входящих в состав жиров, 4 (масляная кислота).
Пример 1. При полном гидролизе образца природного жира массой 26,34 г образовалась
смесь четырех продуктов реакции общей массой 27,96 г. Такой же образец жира при полном
гидрировании превращается в другой жир, полный гидролиз которого дает всего два продукта.
Установите структуру исходного жира. (1999 г)
Решение: При гидролизе жира получается смесь трех кислот и глицерин – это четыре
продукта. Разница масс продуктов и исходного жира приходится на воду.
1) Найдем массу воды и ее количество: m = 27,96 – 26,34 = 1,62 г; υ = 1,62/18 = 0,09 моль
2) Количество жира (в соответствии с уравнением) в 3 раза меньше, чем воды, и равно 0,03 моль
3) Молярная масса жира 26,34/0,03 = 878 г/моль
4) Определим молярную массу, приходящуюся на три радикала 878 – (44∙3+41) = 705 г/моль
5) Так как после гидрирования жира получается предельный жир, дающий при гидролизе только 2
продукта, в составе кислотных остатков, входивших в первый жир, было одинаковое число атомов
углерода.
Для определения числа атомов углерода в радикалах трех кислот разделим 705 на 14 (М группы СН2)
705:14 = 50,4. Разделим на 3 ≈ 17
Рассчитаем число атомов водорода в трех радикалах: 705 – 17∙3∙12 = 93
93 = 33 + 31 + 29
Ответ: исходный жир содержал остатки олеиновой (С17Н33СООН), линолевой (С17Н31СООН) и
линоленовой (С17Н29СООН) кислот.
Задача 1. При полном гидролизе образца природного жира массой 32 г образовалась смесь
четырех продуктов реакции общей массой 34,16 г. Такой же образец жира при полном гидрировании
превращается в другой жир, полный гидролиз которого дает всего два продукта. Установите
структуру исходного жира. (1999 г)
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Углеводы – полифункциональные соединения, которые принято делить на моно-, олиго- и
полисахариды. Моносахариды существуют в линейной (открытой) и циклической формах, в
образовании олигосахаридов и полисахаридов (за счет межмолекулярной дегидратации) участвуют
циклические формы. Вот некоторые моносахариды:
Пример 2. При нагревании 6,7 г кислородсодержащего природного вещества Х с 9,8 г
свежеприготовленного гидроксида меди (II), получено 7,2 г красного осадка. При сжигании
некоторого количества Х потребовался объем кислорода в 1,1 раз превышающий объем
выделившегося при этом углекислого газа. Определите молекулярную формулу Х, приведите
структурную формулу, удовлетворяющую условию.
Решение: 1) Найдем количество Cu(OH)2: 9,8/98 =0,1 моль и Cu2O: 7,2/144 = 0,05 моль.
Вещество Х содержало одну альдегидную группу:
RCHO + 2Cu(OH)2 → Cu2O + H2O + RCOOH
2) Найдем молярную массу Х: 6,7/0,05 = 134 г/моль
3) Запишем уравнение реакции горения Х, выразив его формулу как СхНуОz
СхНуОz + ((2х+0,5у-z)/2) О2 → хСО2 + 0,5уН2О
4) По условию ((2х+0,5у-z)/2) = 1,1х
Выразим из этого уравнения у: у = 2z +0,4х
5) Выразим молярную массу Х: 12х + у + 16z = 134, отсюда у = 134 – 12х – 16z
6) Приравняем у: 2z +0,4х = 134 – 12х – 16z и выразим х через z:
х = (134 – 18z)/12,4
z и х – принимают целочисленные значения, перебирая варианты z = 0; 1; 2; 3; 4 и т.д., находим
значения х. При z = 4, х = 5. При этих значениях у = 10. Искомая формула С5Н10О4.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Так как вещество содержит альдегидную группу и имеет природное происхождение, это углевод, дезоксирибоза.
Задача 2. При нагревании 18 г кислородсодержащего природного вещества Х с избытком
аммиачного раствора оксида серебра, получено 32,4 г осадка. При сжигании некоторого количества
Х потребовался объем кислорода, равный объему выделившегося при этом углекислого газа.
Определите молекулярную формулу Х, приведите структурную формулу, удовлетворяющую
условию.
Аминокислоты – бифункциональные органические вещества, в составе белков встречаются
только α-аминокислоты L-ряда (природные аминокислоты). За счет межмолекулярной дегидратации
из аминокислот образуются олиго- и полипептиды, общую формулу которых можно представить
как
H– (– NH – CH(R) – CO – )n– OH
Для решения задач на вывод формул пептидов удобно пользоваться следующей табличкой
(Н.Е. Дерябина):
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Пример 3. Установите строение природной аминокислоты, если известно, что в результате
реакции этой кислоты с этиловым спиртом образуется соединение, молярная масса которого на
37,33% больше молярной массы исходной аминокислоты. (2011 г)
Решение: 1) Запишем уравнение реакции в общем виде:
NH2-(CHR)-COOH + C2H5OH = NH2-(CHR)-COOC2H5 + H2O
2) Выразим молярную массу аминокислоты (74 + R) и сложного эфира (102 + R)
3) Исходя из условия, составим пропорцию (74 + R)
– 100%
(102 + R) - (74 + R) – 37,33%
R = 1 (Н)
Ответ: глицин
Задача 3. Установите строение природной аминокислоты, если известно, что в результате
реакции этой кислоты с этиловым спиртом образуется соединение, молярная масса которого на
18,54% больше молярной массы исходной аминокислоты.(2011 г)
Пример 4. Установите строение трипептида, если известно, что число атомов углерода в нем в 3
раза больше числа атомов азота и в 1,8 раза больше числа атомов кислорода, при его частичном
гидролизе образуются два изомерных дипептида, а для полного гидролиза 1 моль этого трипептида
требуется 3 моль гидроксида калия. (2011 г)
Решение: Запишем формулу трипептида, исходя из того, что при его гидролизе образуются 2
изомерных дипептида (концевые аминокислоты одинаковые):
NH2-(CHR1)-CO NH-(CHR2)-CO NH-(CHR1)-COOH
На гидролиз 1 моль трипептида затрачивается 2 моль щелочи + 1 моль – на нейтрализацию
концевой карбоксильной группы, итого 3 моль. Следовательно, дополнительно карбоксильных групп
или фенольной гидроксильной группы в трипептиде не содержалось.
Предположим, что атомов азота в трипептиде было 3, тогда атомов углерода 3∙3 = 9, а атомов
кислорода 9 : 1,8 = 5.
В известной части трипептида (см. общую формулу) содержится 6 атомов углерода и 4 атома
кислорода, следовательно, в искомых аминокислотах в радикалах должно оказаться 3 атома углерода
и 1 атом кислорода. Пользуясь таблицей аминокислот (см. выше), определим R2 – он должен
содержать гидроксильную группу, это может быть серин или треонин. Треонин не подходит по
числу атомов углерода. На каждый радикал приходится по 1 атому С, следовательно, это серин и
аланин.
Ответ: ала-сер-ала NH2-(CH-СН3)-CO NH-(CH-СН2-ОН)-CO NH-(CH-СН3)-COOH
Задача 4. Установите строение трипептида, если известно, что число атомов углерода в нем в 2,8
раза больше числа атомов азота и в 3,5 раза больше числа атомов кислорода, при его частичном
гидролизе образуются два изомерных дипептида, а для полного гидролиза 1 моль этого трипептида
требуется 3 моль гидроксида калия.(2011 г)
Пример 5. При частичном гидролизе пептида «А», имеющего молярную массу 307 г/моль и
содержащего 13,7% азота по массе, получено два пептида «В» и «С». Образец пептида «В» массой
0,48 г может при нагревании вступить в реакцию с 11,2 мл 0,536 М раствора соляной кислоты.
Образец пептида «С» массой 0,708 г полностью реагирует при нагревании с 15,7 мл 2,1% раствора
гидроксида калия с плотностью 1,02 г/мл. Установите структуру пептида «А».
Решение: 1) Определим число атомов азота в пептиде «А». 14n = 307∙ 0,137; n = 3.
Следовательно, А – трипептид, а В и С – дипептиды
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
2) Определим количество НСl; υ = СV = 0,0112 0,536 = 0,006 моль
На гидролиз дипептида затрачивается 2 моль кислоты, следовательно, количество дипептида В
0,003 моль, а его молярная масса 0,48:0,003 = 160 г/моль
3) Определим количество КОН; υ =ρVω/M = 1,02 ∙15,7 ∙0,021/56 = 0,006 моль
На гидролиз дипептида затрачивается 2 моль щелочи, следовательно, количество дипептида С
0,003 моль, а его молярная масса 0,708:0,003 = 236 г/моль
4) Добавляя молярную массу воды к молярным массам пептидов, получим суммы молярных масс
аминокислот Х, У и Z, входивших в пептиды.
M(X+Y+Z) = 307 + 36 = 343;
M(X+Y) = 160 +18 = 178;
M(Y+Z) = 236 + 18 = 254; выразим X и Z из 2-го и 3-го уравнений и подставим в первое. У = 89 –
это аланин, тогда Х = 178 – 89 = 89, тоже аланин, Z = 254 – 89 = 165 - фенилаланин (пользуемся
таблицей аминокислот).
Ответ: ала-ала-фен или фен-ала-ала
Задача 5. При частичном гидролизе пептида «А», имеющего молярную массу 369 г/моль и
содержащего 11,4% азота по массе, получено два пептида «В» и «С». Образец пептида «В» массой
0,624 г может при нагревании вступить в реакцию с 9,43 мл 2,33% раствора гидроксида калия с
плотностью 1,02 г/мл. Образец пептида «С» массой 0,888 г полностью реагирует при нагревании с
17,2 мл 0,465 М раствора соляной кислоты. Установите структуру пептида «А».
Нуклеотиды- мономеры нуклеиновых кислот. Каждый нуклеотид состоит из остатка
фосфорной кислоты и нуклеозида. Нуклеозид состоит из углевода (рибозы (РНК) или
дезоксирибозы (ДНК)) и азотистого основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин (ДНК)/урацил
(РНК))
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Для решения задач на вывод формул удобно пользоваться молекулярными формулами азотистых
оснований:
Название
Формула
М (г/моль)
Аденин
C5H5N5
135
Гуанин
C5H5N5O
151
Цитозин
C4H5N3O
111
Тимин
C5H6N2O2
126
Урацил
C4H4N2O2
112
Образование связи с углеводом идет за счет отщепления атома
водорода от NH азотистого основания и ОН – от первого атома
углерода рибозы или дезоксирибозы.
Нуклеозид связывается а остатком фосфорной кислоты за счет
межмолекулярной дегидратации (ОН отщепляется у пятого атома
углерода рибозы или дезоксирибозы). На рисунке пример
нуклеотида, это аденозинфосфат, так как состоит из остатка
аденина, рибозы и фосфорной кислоты.
Если бы углеводом была дезоксирибоза, нуклеотид назывался
бы дезоксиаденозинфосфат.
Ниже приведены формулы нуклеозидов.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Пример 6. При обработке продуктов гидролиза 1,655 г нуклеотида, содержащего 21,15%
азота по массе, избытком известковой воды, выпало 0,775 г осадка. Установите структурную
формулу нуклеотида. (1997 г)
Решение: 1) При гидролизе нуклеотида образуется углевод, азотистое основание и фосфорная
кислота, которая и дает осадок с избытком известковой воды:
3Ca(OH)2 + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6H2O
Определим количество фосфата кальция: 0,775 : 310 = 0,0025 моль
Количество кислоты в 2 раза больше – 0,005 моль
2) Количество нуклеотида 0,005 моль, тогда его молярная масса 1,655 : 0,05 = 331 г/моль
3) Определим число атомов азота в нуклеотиде 14 n = 331 ∙ 0,2115 = 5. 5 атомов азота содержится в
аденине и гуанине.
4) Подберем формулу нуклеотида.
М(нуклеотида) = М(H3PO4) + М(углевода) + М(азотистого основания) – 2М (Н2О)
Предпопложим, азотистое основание – аденин:
331 = 98 + 135 + М(углевода) – 36
М(углевода) = 134 г/моль – это дезоксирибоза
Предположим, азотистое основание – гуанин:
331 = 98 + 151 + М(углевода) – 36
М(углевода) = 118 г/моль – решения нет
Ответ: дезоксирибоаденозинфосфат
Задача 6. При обработке продуктов гидролиза 3,63 г нуклеотида, содержащего 19,28% азота
по массе, избытком известковой воды, выпало 1,55 г осадка. Установите структурную формулу
нуклеотида.(2006 г)
ЗАДАНИЕ 6. Z-6
Уважаемые коллеги! 6 задач, выделенных синим шрифтом – это ваше шестое домашнее
задание. Каждая задача оценивается в 5 баллов. Решения можно оформлять в печатном виде, можно
писать от руки, затем фотографировать или сканировать и вставлять в общий документ WORD.
Чтобы размер файла не был чрезмерно большим, изображения нужно обрезать по размерам текста и
сжимать. Оформляйте работы правильно: вставляйте фото или сканы в документ WORD, не
присылайте работу в виде нескольких отдельных фотографий, не архивируйте работы.
Не забывайте в самом документе указывать свою фамилию и инициалы, номер занятия.
Документ сохраняется в файле с именем Familija-Z6, например: Ivanova-Z6. Работы
отправляются электронной почтой на адрес den_volg@mail.ru, с обязательным указанием в Теме
письма слов "мастер-класс" и указанием номера занятия. (Например: Мастер-класс, Z6). Если Вы в
течение суток не получили подтверждения о получении своего задания, отошлите его еще раз.
Контрольный срок выполнения задания №6 до 21-00 мск вр, 8 апреля 2013 г (понедельник).
Проверяются и засчитываются только те работы, которые присланы в срок.