Bài học

Phản ứng ester hoá, trùng ngưng và ứng dụng của amino acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình phản ứng ester hoá của amino acid với alcohol, mô tả được phản ứng trùng ngưng tạo tơ nilon-6 từ axit 6-aminohexanoic, và nêu được ứng dụng thực tế của một số amino acid trong đời sống.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước em đã nắm cấu tạo, danh pháp và tính lưỡng tính (phản ứng acid–base) của amino acid. Ở Course 1 (Ester và lipid) em cũng đã học phản ứng ester hoá giữa acid carboxylic và alcohol khi có xúc tác $H_2SO_4$ đặc — bài này áp dụng đúng phản ứng đó cho nhóm $-COOH$ của amino acid.

Khởi động

Nhóm $-COOH$ trong amino acid có phản ứng ester hoá y hệt acid carboxylic thông thường không? Và một amino acid có thể tự nối tiếp với chính amino acid khác thành một chuỗi dài — hiện tượng này có liên quan gì đến sợi tơ nilon trong áo em đang mặc?

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng ester hoá. Nhóm $-COOH$ của amino acid phản ứng với alcohol tương tự acid carboxylic, nhưng xúc tác thường dùng là khí HCl khan (thay vì $H_2SO_4$ đặc) để đồng thời proton hoá luôn nhóm $-NH_2$ , tránh amino acid tự phản ứng với nhau trước khi kịp ester hoá. Sản phẩm thu được ở dạng muối clorua của ester: $H_2N-CH_2-COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{khí\ HCl} ClH_3N-CH_2-COOC_2H_5 + H_2O$ Muốn thu ester tự do (ethyl glycinat), cần trung hoà tiếp muối này bằng một base yếu.

Phản ứng trùng ngưng. Những amino acid có nhóm $-NH_2$ và $-COOH$ nằm ở hai đầu một mạch carbon đủ dài có thể phản ứng liên tiếp với nhau: nhóm $-COOH$ của phân tử này phản ứng với nhóm $-NH_2$ của phân tử kia, giải phóng $H_2O$ , lặp lại hàng nghìn lần để tạo thành một mạch polymer — gọi là phản ứng trùng ngưng. Ví dụ tiêu biểu là axit 6-aminohexanoic (axit $\varepsilon$ -aminocaproic) $H_2N-(CH_2)_5-COOH$ , trùng ngưng tạo tơ nilon-6, dùng dệt vải, sản xuất dây và lưới đánh cá: $nH_2N-(CH_2)_5-COOH \xrightarrow{t^\circ} (-HN-(CH_2)_5-CO-)_n + nH_2O$ (Nội dung polymer sẽ được học kỹ hơn ở Course 5 — ở đây em chỉ cần nhận ra amino acid cũng có thể đóng vai trò một monomer trùng ngưng, mắt xích lặp lại chính là phần còn lại của amino acid sau khi mất $H_2O$ .)

Ứng dụng thực tế. Muối mononatri glutamat (bột ngọt, mì chính) — điều chế từ glutamic acid bằng cách trung hoà 1 nhóm $-COOH$ bằng NaOH — dùng làm gia vị tạo vị umami trong nấu ăn. Lysine là amino acid thiết yếu (cơ thể người không tự tổng hợp được, phải bổ sung qua thức ăn), được sản xuất công nghiệp để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi và một số thực phẩm chức năng cho trẻ em. Rộng hơn, amino acid chính là "viên gạch" xây dựng nên peptide và protein trong cơ thể sống — nội dung mở đầu cho chương tiếp theo.

So sánh hai phản ứng vừa học cũng giúp em phân biệt rạch ròi hai khái niệm polymer đã và sẽ gặp: ester hoá chỉ là phản ứng giữa 1 phân tử amino acid với 1 phân tử alcohol, sản phẩm vẫn là một phân tử nhỏ, không phải polymer. Trùng ngưng thì khác hẳn về bản chất — hàng nghìn phân tử amino acid nối tiếp nhau, sản phẩm là một mạch polymer khối lượng phân tử rất lớn. Cùng xuất phát từ nhóm $-COOH$ và $-NH_2$ , nhưng ester hoá dừng lại sau một lần phản ứng (vì alcohol chỉ có 1 nhóm $-OH$ , không tiếp tục phản ứng được nữa), còn trùng ngưng tiếp diễn liên tục vì mỗi monomer sau khi phản ứng vẫn còn một đầu $-NH_2$ hoặc $-COOH$ tự do để nối với phân tử tiếp theo — đây chính là điều kiện monomer phải thoả để trùng ngưng được: có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng ở hai đầu mạch.

Chính điều kiện này giải thích vì sao glycine hay alanine — hai amino acid có mạch carbon rất ngắn — không dùng để trùng ngưng làm tơ sợi trong công nghiệp: mạch quá ngắn khiến polymer tạo thành cứng, giòn, không đủ tính đàn hồi cần thiết cho một sợi tơ dệt vải. Axit 6-aminohexanoic có mạch 6 carbon đủ dài để mắt xích lặp lại tạo ra một polymer vừa bền vừa mềm dẻo — đây là lý do em không thấy "tơ glycine" hay "tơ alanine" nào trong thực tế, dù về mặt lý thuyết cả hai đều có thể trùng ngưng.

**Phản ứng ester hoá.** Nhóm $-COOH$ của amino acid phản ứng với alcohol tương tự acid carboxylic, nhưng xúc tác thường dùng là khí HCl khan (thay vì $H_2SO_4$ đặc) để đồng thời proton hoá luôn nhóm $-NH_2$, tránh amino acid tự phản ứng với nhau trước khi kịp ester hoá. Sản phẩm thu được ở dạng muối clorua của ester: $H_2N-CH_2-COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{khí\ HCl} ClH_3N-CH_2-COOC_2H_5 + H_2O$ Muốn thu ester tự do (ethyl glycinat), cần trung hoà tiếp muối này bằng một base yếu. **Phản ứng trùng ngưng.** Những amino acid có nhóm $-NH_2$ và $-COOH$ nằm ở hai đầu một mạch carbon đủ dài có thể phản ứng liên tiếp với nhau: nhóm $-COOH$ của phân tử này phản ứng với nhóm $-NH_2$ của phân tử kia, giải phóng $H_2O$, lặp lại hàng nghìn lần để tạo thành một mạch polymer — gọi là phản ứng trùng ngưng. Ví dụ tiêu biểu là axit 6-aminohexanoic (axit $\varepsilon$-aminocaproic) $H_2N-(CH_2)_5-COOH$, trùng ngưng tạo tơ nilon-6, dùng dệt vải, sản xuất dây và lưới đánh cá: $nH_2N-(CH_2)_5-COOH \xrightarrow{t^\circ} (-HN-(CH_2)_5-CO-)_n + nH_2O$ (Nội dung polymer sẽ được học kỹ hơn ở Course 5 — ở đây em chỉ cần nhận ra amino acid cũng có thể đóng vai trò một monomer trùng ngưng, mắt xích lặp lại chính là phần còn lại của amino acid sau khi mất $H_2O$.) **Ứng dụng thực tế.** Muối mononatri glutamat (bột ngọt, mì chính) — điều chế từ glutamic acid bằng cách trung hoà 1 nhóm $-COOH$ bằng NaOH — dùng làm gia vị tạo vị umami trong nấu ăn. Lysine là amino acid thiết yếu (cơ thể người không tự tổng hợp được, phải bổ sung qua thức ăn), được sản xuất công nghiệp để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi và một số thực phẩm chức năng cho trẻ em. Rộng hơn, amino acid chính là "viên gạch" xây dựng nên peptide và protein trong cơ thể sống — nội dung mở đầu cho chương tiếp theo. So sánh hai phản ứng vừa học cũng giúp em phân biệt rạch ròi hai khái niệm polymer đã và sẽ gặp: ester hoá chỉ là phản ứng giữa 1 phân tử amino acid với 1 phân tử alcohol, sản phẩm vẫn là một phân tử nhỏ, không phải polymer. Trùng ngưng thì khác hẳn về bản chất — hàng nghìn phân tử amino acid nối tiếp nhau, sản phẩm là một mạch polymer khối lượng phân tử rất lớn. Cùng xuất phát từ nhóm $-COOH$ và $-NH_2$, nhưng ester hoá dừng lại sau một lần phản ứng (vì alcohol chỉ có 1 nhóm $-OH$, không tiếp tục phản ứng được nữa), còn trùng ngưng tiếp diễn liên tục vì mỗi monomer sau khi phản ứng vẫn còn một đầu $-NH_2$ hoặc $-COOH$ tự do để nối với phân tử tiếp theo — đây chính là điều kiện monomer phải thoả để trùng ngưng được: có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng ở hai đầu mạch. Chính điều kiện này giải thích vì sao glycine hay alanine — hai amino acid có mạch carbon rất ngắn — không dùng để trùng ngưng làm tơ sợi trong công nghiệp: mạch quá ngắn khiến polymer tạo thành cứng, giòn, không đủ tính đàn hồi cần thiết cho một sợi tơ dệt vải. Axit 6-aminohexanoic có mạch 6 carbon đủ dài để mắt xích lặp lại tạo ra một polymer vừa bền vừa mềm dẻo — đây là lý do em không thấy "tơ glycine" hay "tơ alanine" nào trong thực tế, dù về mặt lý thuyết cả hai đều có thể trùng ngưng.

Ví dụ

Viết phương trình ester hoá của glycine với methanol

1
Viết phương trình phản ứng ester hoá giữa glycine $H_2NCH_2COOH$ và methanol $CH_3OH$ , xúc tác khí HCl khan.
Viết phương trình phản ứng ester hoá giữa glycine $H_2NCH_2COOH$ và methanol $CH_3OH$, xúc tác khí HCl khan.
2
Nhóm $-COOH$ của glycine phản ứng với nhóm $-OH$ của methanol theo cơ chế ester hoá thông thường; đồng thời khí HCl proton hoá nhóm $-NH_2$ thành $-NH_3^+Cl^-$ .
Nhóm $-COOH$ của glycine phản ứng với nhóm $-OH$ của methanol theo cơ chế ester hoá thông thường; đồng thời khí HCl proton hoá nhóm $-NH_2$ thành $-NH_3^+Cl^-$.
3
$H_2N-CH_2-COOH + CH_3OH \xrightarrow{khí\ HCl} ClH_3N-CH_2-COOCH_3 + H_2O$ .
$H_2N-CH_2-COOH + CH_3OH \xrightarrow{khí\ HCl} ClH_3N-CH_2-COOCH_3 + H_2O$.
4
Sản phẩm là muối clorua của methyl glycinat, $ClH_3N-CH_2-COOCH_3$ , cùng với nước tách ra.
Sản phẩm là muối clorua của methyl glycinat, $ClH_3N-CH_2-COOCH_3$, cùng với nước tách ra.

Ví dụ

Tính hiệu suất phản ứng ester hoá

1
Cho 15 gam glycine ( $M=75$ ) phản ứng với ethanol dư, xúc tác khí HCl khan, thu được 20,925 gam muối $ClH_3N-CH_2-COOC_2H_5$ ( $M = 139{,}5$ ). Tính hiệu suất phản ứng theo glycine.
Cho 15 gam glycine ($M=75$) phản ứng với ethanol dư, xúc tác khí HCl khan, thu được 20,925 gam muối $ClH_3N-CH_2-COOC_2H_5$ ($M = 139{,}5$). Tính hiệu suất phản ứng theo glycine.
2
$n(Gly) = 15/75 = 0{,}2$ mol.
$n(Gly) = 15/75 = 0{,}2$ mol.
3
Theo PT, tỉ lệ mol Gly : muối ester $= 1:1$ , nên nếu hiệu suất đạt 100%, khối lượng muối thu được là $m(lt) = 0{,}2 \times 139{,}5 = 27{,}9$ gam.
Theo PT, tỉ lệ mol Gly : muối ester $= 1:1$, nên nếu hiệu suất đạt 100%, khối lượng muối thu được là $m(lt) = 0{,}2 \times 139{,}5 = 27{,}9$ gam.
4
$H\% = (20{,}925/27{,}9) \times 100\% = 75\%$ .
$H\% = (20{,}925/27{,}9) \times 100\% = 75\%$.
5
Hiệu suất phản ứng ester hoá đạt 75%.

Ví dụ

Giải thích vì sao thức ăn chăn nuôi cần bổ sung lysine tổng hợp

1
Vì sao thức ăn chăn nuôi công nghiệp (chủ yếu làm từ ngô, đậu tương) thường được bổ sung thêm lysine tổng hợp, dù các nguyên liệu này đã chứa nhiều loại amino acid khác?
2
Protein trong ngô và đậu tương chứa đầy đủ nhiều loại amino acid, nhưng hàm lượng lysine trong chúng lại thấp hơn nhiều so với nhu cầu sinh trưởng của vật nuôi, đặc biệt là lợn và gà.
3
Cơ thể vật nuôi (giống người) không tự tổng hợp được lysine — đây là amino acid thiết yếu, buộc phải lấy đủ từ thức ăn. Thiếu lysine giới hạn khả năng tổng hợp protein của cơ thể dù các amino acid khác có dư, làm chậm tăng trưởng.
4
Bổ sung lysine tổng hợp giúp cân đối đầy đủ các amino acid thiết yếu trong khẩu phần, cải thiện hiệu quả tăng trưởng mà không cần tăng lượng thức ăn.

Ví dụ

Tính khối lượng tơ nilon-6 điều chế từ axit 6-aminohexanoic

1
Trùng ngưng 113 kg axit 6-aminohexanoic $H_2N-(CH_2)_5-COOH$ ( $M=131$ ), hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng tơ nilon-6 thu được.
Trùng ngưng 113 kg axit 6-aminohexanoic $H_2N-(CH_2)_5-COOH$ ($M=131$), hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng tơ nilon-6 thu được.
2
$n(monomer) = 113/131 \approx 0{,}863$ kmol.
$n(monomer) = 113/131 \approx 0{,}863$ kmol.
3
Mỗi mắt xích $(-HN-(CH_2)_5-CO-)$ hình thành từ 1 phân tử monomer sau khi mất đi 1 phân tử $H_2O$ , nên khối lượng mắt xích là $M - 18 = 131 - 18 = 113$ .
Mỗi mắt xích $(-HN-(CH_2)_5-CO-)$ hình thành từ 1 phân tử monomer sau khi mất đi 1 phân tử $H_2O$, nên khối lượng mắt xích là $M - 18 = 131 - 18 = 113$.
4
Theo bảo toàn khối lượng (bỏ qua khối lượng $H_2O$ tách ra), nếu hiệu suất 100% thì $m(lt) = 0{,}863 \times 113 \approx 97{,}5$ kg.
Theo bảo toàn khối lượng (bỏ qua khối lượng $H_2O$ tách ra), nếu hiệu suất 100% thì $m(lt) = 0{,}863 \times 113 \approx 97{,}5$ kg.
5
$m(thực\ tế) = 97{,}5 \times 80\% \approx 78$ kg.
$m(thực\ tế) = 97{,}5 \times 80\% \approx 78$ kg.
6
Khối lượng tơ nilon-6 thu được là khoảng 78 kg.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm phản ứng ester hoá của amino acid giống hệt acid carboxylic thường, quên rằng xúc tác ở đây thường là khí HCl khan chứ không phải $H_2SO_4$ đặc — vì HCl còn có vai trò proton hoá nhóm $-NH_2$ , tránh amino acid tự phản ứng lẫn nhau trước khi kịp ester hoá với alcohol.

Nhiều em nhầm phản ứng ester hoá của amino acid giống hệt acid carboxylic thường, quên rằng xúc tác ở đây thường là khí HCl khan chứ không phải $H_2SO_4$ đặc — vì HCl còn có vai trò proton hoá nhóm $-NH_2$, tránh amino acid tự phản ứng lẫn nhau trước khi kịp ester hoá với alcohol.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Amino acid ester hoá với alcohol (xúc tác khí HCl khan) giống acid carboxylic thường. Amino acid có $-NH_2$ và $-COOH$ ở hai đầu mạch dài còn trùng ngưng được thành polymer, ví dụ tơ nilon-6. Glutamic acid làm ra mì chính; lysine là amino acid thiết yếu bổ sung dinh dưỡng.

Chương tiếp theo học cách các amino acid nối với nhau bằng liên kết peptide — bước đầu tiên để amino acid trở thành protein trong cơ thể sống.