Lý thuyết trọng tâm

I. Amino acid

1. Khái niệm

Amino acid là hợp chất hữu cơ tạp chức, trong phân tử chứa đồng thời nhóm amino (–NH₂) và nhóm carboxyl (–COOH).

Công thức tổng quát:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{R} – \text{COOH}$$

hoặc viết đầy đủ hơn cho α-amino acid:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CH(R)} – \text{COOH}$$

Phân loại:

Lưu ý: Có khoảng 20 amino acid cấu thành nên phần lớn protein trong cơ thể người.

2. Danh pháp

a) Vị trí nhóm amino theo chữ cái Hy Lạp

Vị trí nhóm amino ở carbon thứ 2 đến thứ 6 (tính từ nhóm –COOH) được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp:

b) Cách gọi tên amino acid

Tên thay thế: Vị trí nhóm amino + amino + tên carboxylic acid tương ứng

Ví dụ:

• H₂N–CH₂–COOH → Aminoethanoic acid (2-aminoethanoic acid)
• H₂N–CH(CH₃)–COOH → 2-aminopropanoic acid

c) Bảng tổng hợp một số amino acid quan trọng

Mẹo nhớ: Ký hiệu 3 chữ cái thường lấy từ 3 chữ đầu của tên thường: Glycine, Alanine, Valine, Lysine, Glutamic acid.

3. Đặc điểm cấu tạo – Ion lưỡng cực

Trong phân tử amino acid, nhóm –COOH có tính acid (cho H⁺), nhóm –NH₂ có tính base (nhận H⁺). Do đó, xảy ra sự chuyển proton nội phân tử:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CH(R)} – \text{COOH} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{N}^+ – \text{CH(R)} – \text{COO}^-$$

Dạng ion lưỡng cực (zwitterion) có:

• Đầu mang điện tích dương: –NH₃⁺
• Đầu mang điện tích âm: –COO⁻

Kết luận: Amino acid tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực, giải thích các tính chất vật lý đặc trưng.

4. Tính chất vật lý

5. Tính chất hóa học

a) Tính lưỡng tính

Amino acid vừa phản ứng được với acid (do có nhóm –NH₂), vừa phản ứng được với base (do có nhóm –COOH).

Phản ứng với acid (HCl):

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{ClH}_3\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COOH}$$

Hoặc viết ở dạng ion:

$$\text{H}_3\text{N}^+ – \text{CH}_2 – \text{COO}^- + \text{HCl} \rightarrow \text{ClH}_3\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COOH}$$

→ Glycine thể hiện tính base (nhóm –NH₂ nhận H⁺)

Phản ứng với base (NaOH):

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{H}_2\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$

Hoặc viết ở dạng ion:

$$\text{H}_3\text{N}^+ – \text{CH}_2 – \text{COO}^- + \text{NaOH} \rightarrow \text{H}_2\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$

→ Glycine thể hiện tính acid (nhóm –COOH cho H⁺)

Kết luận: Amino acid có tính lưỡng tính.

b) Tính điện di

Điện di là hiện tượng amino acid có khả năng di chuyển trong điện trường.

Dạng tồn tại của amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường:

pI (điểm đẳng điện): Là giá trị pH mà tại đó amino acid tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực và không di chuyển trong điện trường.

Giải thích:

• Trong môi trường acid mạnh (dư H⁺): nhóm –COO⁻ nhận H⁺ → –COOH, amino acid trở thành cation → di chuyển về cực âm.
• Trong môi trường base mạnh (dư OH⁻): nhóm –NH₃⁺ nhường H⁺ → –NH₂, amino acid trở thành anion → di chuyển về cực dương.

c) Phản ứng ester hóa

Nhóm –COOH của amino acid phản ứng với alcohol (có xúc tác HCl khan) tạo ester.

Phương trình tổng quát:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CHR} – \text{COOH} + \text{R’OH} \xrightarrow{\text{HCl khan}} \text{ClH}_3\text{N} – \text{CHR} – \text{COOR’} + \text{H}_2\text{O}$$

Ví dụ: Glycine phản ứng với ethanol:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \xrightarrow{\text{HCl khan}} \text{ClH}_3\text{N} – \text{CH}_2 – \text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

Sản phẩm là muối của ester, có M = 75 + 29 + 36,5 – 18 = 139,5

d) Phản ứng trùng ngưng

Các ε-amino acid và ω-amino acid (nhóm –NH₂ ở xa nhóm –COOH) có thể tham gia phản ứng trùng ngưng tạo polymer.

Cơ chế: Nhóm –OH (trong –COOH) của phân tử này tách nước với nguyên tử H (trong –NH₂) của phân tử khác, tạo liên kết peptide và giải phóng H₂O.

Phương trình tổng quát:

$$n\text{H}_2\text{N} – [\text{CH}_2]_x – \text{COOH} \xrightarrow{t°} (-\text{NH} – [\text{CH}_2]_x – \text{CO}-)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

Ví dụ: Trùng ngưng ε-aminocaproic acid (6-aminohexanoic acid):

$$n\text{H}_2\text{N} – [\text{CH}_2]_5 – \text{COOH} \xrightarrow{t°} (-\text{NH} – [\text{CH}_2]_5 – \text{CO}-)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

Sản phẩm là tơ capron (nylon-6).

Lưu ý: α-amino acid không tham gia phản ứng trùng ngưng do nhóm –NH₂ và –COOH ở gần nhau, dễ tạo vòng hơn là tạo mạch dài.

II. Peptide

1. Khái niệm

Peptide là những hợp chất hữu cơ được cấu tạo từ các đơn vị α-amino acid liên kết với nhau qua liên kết peptide (–CO–NH–).

Phân loại theo số đơn vị amino acid:

Công thức: Số liên kết peptide = Số amino acid – 1

2. Liên kết peptide

Liên kết peptide là liên kết –CO–NH– được hình thành giữa:

• Nhóm –COOH của amino acid này
• Nhóm –NH₂ của amino acid kia

(Tách ra 1 phân tử H₂O)

Cách hình thành:

$$… – \text{CO} – \underbrace{\text{OH}}_{\text{tách}} + \underbrace{\text{H}}_{\text{tách}} – \text{NH} – … \rightarrow … – \text{CO} – \text{NH} – … + \text{H}_2\text{O}$$

3. Cấu tạo của peptide

Quy ước:

• Amino acid đầu N (N-terminal): Amino acid ở đầu mạch còn nhóm –NH₂ tự do → viết bên trái
• Amino acid đầu C (C-terminal): Amino acid ở đầu mạch còn nhóm –COOH tự do → viết bên phải

Cách viết tên peptide: Ghép tên viết tắt của các amino acid theo thứ tự từ đầu N đến đầu C.

Ví dụ: Tripeptide Val-Gly-Ala

Phương trình tạo tripeptide:

$$\text{Val} + \text{Gly} + \text{Ala} \rightarrow \text{Val-Gly-Ala} + 2\text{H}_2\text{O}$$

Lưu ý quan trọng: Khi thay đổi thứ tự amino acid, ta được peptide khác nhau. Ví dụ: Gly-Ala ≠ Ala-Gly (vì đầu N và đầu C khác nhau).

4. Số đồng phân peptide

Từ n amino acid khác nhau, số peptide có thể tạo thành:

• Chứa đủ n amino acid: n! peptide
• Chứa k amino acid (k ≤ n): $A_n^k = \frac{n!}{(n-k)!}$ peptide

Ví dụ: Từ 2 amino acid Gly và Ala:

• Số dipeptide = 2! = 2 (Gly-Ala và Ala-Gly)

Ví dụ: Từ 3 amino acid Gly, Ala, Val:

• Số tripeptide chứa đủ 3 amino acid = 3! = 6

5. Tính chất hóa học của peptide

a) Phản ứng thủy phân

Peptide bị thủy phân bởi acid, base, hoặc enzyme, phá vỡ liên kết peptide.

Thủy phân không hoàn toàn: Tạo các peptide nhỏ hơn

$$\text{Val-Gly-Ala} \xrightarrow{\text{thủy phân không hoàn toàn}} \text{Val-Gly} + \text{Ala}$$

hoặc

$$\text{Val-Gly-Ala} \xrightarrow{\text{thủy phân không hoàn toàn}} \text{Val} + \text{Gly-Ala}$$

Thủy phân hoàn toàn: Tạo các α-amino acid

$$\text{Val-Gly-Ala} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+ \text{ hoặc enzyme}} \text{Val} + \text{Gly} + \text{Ala}$$

Thủy phân trong môi trường kiềm: Tạo muối của amino acid

$$\text{Tripeptide} + 3\text{NaOH} \rightarrow 3 \text{ muối sodium của amino acid} + \text{H}_2\text{O}$$

Ví dụ:

$$\text{Val-Gly-Ala} + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Val-Na} + \text{Gly-Na} + \text{Ala-Na} + \text{H}_2\text{O}$$

Công thức:

• Thủy phân hoàn toàn peptide chứa n amino acid cần (n – 1) phân tử H₂O
• Thủy phân trong môi trường kiềm cần n mol NaOH cho mỗi mol peptide

b) Phản ứng màu biuret

Các peptide có từ 2 liên kết peptide trở lên (tức từ tripeptide trở lên) phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm tạo dung dịch màu tím đặc trưng.

Thuốc thử biuret: Cu(OH)₂/NaOH (hoặc CuSO₄ + NaOH)

Cách tiến hành thí nghiệm:

Giải thích: Ion Cu²⁺ tạo phức với các liên kết peptide (–CO–NH–) cho màu tím.

Lưu ý:

• Dipeptide (chỉ có 1 liên kết peptide) KHÔNG cho phản ứng màu biuret
• Phản ứng này dùng để nhận biết protein và peptide (từ tripeptide trở lên)

Bảng tổng hợp tính chất hóa học của peptide:

III. Ứng dụng và vai trò

1. Vai trò của amino acid

2. Amino acid thiết yếu

Cơ thể người không tự tổng hợp được 8 amino acid thiết yếu, cần bổ sung qua thức ăn:

Valine, Leucine, Isoleucine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Lysine

Mẹo nhớ: “Vẫn Là Isoleucine, Methionine Phải Tìm Trong Lysine”

3. Thực phẩm giàu amino acid

4. Glutamic acid và bột ngọt (MSG)

Glutamic acid (Glu): HOOC–[CH₂]₂–CH(NH₂)–COOH

• Là amino acid có 2 nhóm –COOH
• Dung dịch có môi trường acid
• Muối mononatri của glutamic acid là MSG (Monosodium Glutamate) – bột ngọt

Monosodium Glutamate (MSG):

$$\text{NaOOC} – [\text{CH}_2]_2 – \text{CH(NH}_2\text{)} – \text{COOH}$$

• Dạng bột trắng, dễ tan trong nước
• Có vị umami (vị ngọt thịt)
• Sử dụng làm gia vị trong thực phẩm

Phương pháp giải bài tập

Dạng 1: Xác định công thức, gọi tên amino acid

Phương pháp

1. Xác định số nhóm –NH₂ và –COOH trong phân tử
2. Xác định vị trí nhóm –NH₂ (α, β, γ, δ, ε, ω)
3. Gọi tên theo danh pháp thay thế hoặc tên thường

Ví dụ 1

Bài toán: Leucine có công thức cấu tạo HOOC–CH(NH₂)–CH₂–CH(CH₃)₂. Hãy gọi tên theo danh pháp thay thế.

Giải:

• Mạch chính: 5 carbon (pentane)
• Nhóm –COOH ở C₁
• Nhóm –NH₂ ở C₂ (vị trí α)
• Nhóm –CH₃ nhánh ở C₄

→ Tên thay thế: 2-amino-4-methylpentanoic acid

Ví dụ 2

Bài toán: Chất nào sau đây không phải là amino acid?

A. Lysine B. Glycine C. Aniline D. Glutamic acid

Giải:

• Lysine: H₂N–[CH₂]₄–CH(NH₂)–COOH → có –NH₂ và –COOH → là amino acid
• Glycine: H₂N–CH₂–COOH → có –NH₂ và –COOH → là amino acid
• Aniline: C₆H₅–NH₂ → chỉ có –NH₂, không có –COOH → không phải amino acid
• Glutamic acid: HOOC–[CH₂]₂–CH(NH₂)–COOH → có –NH₂ và –COOH → là amino acid

Đáp án: C

Dạng 2: Xác định dạng ion của amino acid ở các pH khác nhau

Phương pháp

Ví dụ

Bài toán: Cho biết Alanine tồn tại chủ yếu ở dạng ion nào trong các môi trường acid, base, trung tính. Khi đặt trong điện trường, chúng di chuyển về cực nào?

Giải:

Dạng 3: Bài toán amino acid phản ứng với acid/base

Phương pháp

Amino acid + HCl:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{R} – \text{COOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{ClH}_3\text{N} – \text{R} – \text{COOH}$$

• Tỉ lệ mol: $n_{\text{amino acid}} : n_{\text{HCl}} = 1 : \text{(số nhóm } -\text{NH}_2)$
• Khối lượng tăng: $\Delta m = 36,5 \times n_{\text{HCl}}$

Amino acid + NaOH:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{R} – \text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{H}_2\text{N} – \text{R} – \text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$

• Tỉ lệ mol: $n_{\text{amino acid}} : n_{\text{NaOH}} = 1 : \text{(số nhóm } -\text{COOH})$
• Khối lượng muối: $m_{\text{muối}} = m_{\text{amino acid}} + 22 \times n_{\text{NaOH}}$

Ví dụ

Bài toán: Cho m gam α-amino acid E (phân tử chứa một nhóm carboxyl) tác dụng vừa đủ với 30 g dung dịch NaOH 1,6%, thu được 1,332 g muối. Tên gọi của E là gì?

Giải:

• $n_{\text{NaOH}} = \frac{30 \times 1,6\%}{40} = 0,012$ mol
• E có 1 nhóm –COOH → $n_E = n_{\text{NaOH}} = 0,012$ mol
• $m_{\text{muối}} = m_E + 22 \times n_{\text{NaOH}}$
• $1,332 = m_E + 22 \times 0,012$
• $m_E = 1,332 – 0,264 = 1,068$ g
• $M_E = \frac{1,068}{0,012} = 89$ g/mol

Amino acid có M = 89, công thức: H₂N–CH(CH₃)–COOH → Alanine

Đáp án: D

Dạng 4: Viết cấu tạo peptide và xác định sản phẩm thủy phân

Phương pháp

1. Xác định amino acid đầu N (bên trái) và đầu C (bên phải)
2. Viết công thức cấu tạo với liên kết peptide –CO–NH–
3. Xác định các dipeptide có thể tạo thành khi thủy phân không hoàn toàn

Ví dụ 1

Bài toán: Viết cấu tạo của tripeptide Gly-Ala-Val.

Giải:

Hoặc viết chi tiết hơn:

$$\text{H}_2\text{N} – \text{CH}_2 – \text{CO} – \text{NH} – \text{CH(CH}_3\text{)} – \text{CO} – \text{NH} – \text{CH(CH(CH}_3\text{)}_2\text{)} – \text{COOH}$$

Ví dụ 2

Bài toán: Thủy phân không hoàn toàn tripeptide Val-Gly-Ala thu được các dipeptide nào?

Giải:

Tripeptide Val-Gly-Ala có 2 liên kết peptide:

• Liên kết 1: giữa Val và Gly
• Liên kết 2: giữa Gly và Ala

Khi thủy phân không hoàn toàn, có thể cắt 1 trong 2 liên kết:

• Cắt liên kết 1: Val + Gly-Ala
• Cắt liên kết 2: Val-Gly + Ala

Đáp án: Các dipeptide là Val-Gly và Gly-Ala

Dạng 5: Bài toán thủy phân peptide

Phương pháp

Thủy phân trong môi trường acid (HCl):

$$\text{Peptide (n amino acid)} + (n-1)\text{H}_2\text{O} + n\text{HCl} \rightarrow n \text{ muối chloride của amino acid}$$

Thủy phân trong môi trường kiềm (NaOH):

$$\text{Peptide (n amino acid)} + n\text{NaOH} \rightarrow n \text{ muối sodium của amino acid} + \text{H}_2\text{O}$$

Công thức tính khối lượng:

• $m_{\text{muối (HCl)}} = m_{\text{peptide}} + 18(n-1) + 36,5n$
• $m_{\text{muối (NaOH)}} = m_{\text{peptide}} + 40n – 18$

Ví dụ

Bài toán: Thủy phân hoàn toàn m gam tripeptide Ala-Ala-Val trong dung dịch HCl dư, thu được 2,427 g muối. Tính m.

Giải:

Tripeptide Ala-Ala-Val: 2 Ala + 1 Val

$M_{\text{tripeptide}} = 2 \times 89 + 117 – 2 \times 18 = 259$ g/mol

Khi thủy phân trong HCl dư:

$$\text{Ala-Ala-Val} + 2\text{H}_2\text{O} + 3\text{HCl} \rightarrow 2\text{Ala-HCl} + \text{Val-HCl}$$

$m_{\text{muối}} = m_{\text{tripeptide}} + 18 \times 2 + 36,5 \times 3 = m + 36 + 109,5 = m + 145,5$

Hoặc tính theo mol:

• Gọi $n_{\text{tripeptide}} = x$ mol
• $m_{\text{muối}} = 2x(89 + 36,5) + x(117 + 36,5) = 2x \times 125,5 + x \times 153,5 = 404,5x$
• $404,5x = 2,427$
• $x = 0,006$ mol
• $m = 0,006 \times 259 = 1,554$ g

Đáp án: B (1,554 g)

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ