Zwitterion - Zwitterion

I kemi , en zwitterion ( / t s v ɪ t ə ˌ r aɪ ə n / Tsvit -ə-rug-ən ; fra tysk zwitterioniske[ˈTsvɪtɐ] ' hermafrodit '), også kaldet et indre salt , er et molekyle, der indeholder lige så mange positivt og negativt ladede funktionelle grupper . For eksempel med aminosyrer i opløsning vil der blive etableret en kemisk ligevægt mellem "forældermolekylet" og zwitterionen.

Betainer er zwitterioner, der ikke kan isomerisere til en helt neutral form, f.eks. Når den positive ladning er placeret på en kvaternær ammoniumgruppe . På samme måde kan et molekyle indeholdende en phosphoniumgruppe og en carboxylatgruppe ikke isomerisere.

Aminosyrer

En aminosyre indeholder både sure (carboxylsyrefragment) og basiske (aminfragment) centre. Isomeren til højre er en zwitterion.

Ligevægten etableres i to faser. I et trin overføres en proton fra carboxylgruppen til et vandmolekyle.

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

I det andet trin overføres en proton fra hydroniumionen til amingruppen

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

Samlet er reaktionen en isomerisering reaktion

H
2N (R) CO
2H ⇌ H
3N+
(R) CO-
2

Forholdet mellem koncentrationerne af de to arter i opløsning er uafhængigt af pH, da det er lig med værdien af ​​ligevægtskonstanten K for isomeriseringsreaktionen.

[X] angiver koncentrationen af ​​den kemiske art X ved ligevægt. Det antages generelt, at K  > 1, det vil sige, at zwitterionen er den dominerende aminosyre -isomer i vandig opløsning. Det er blevet foreslået på grundlag af teoretisk analyse, at zwitterionen stabiliseres i vandig opløsning ved hydrogenbinding med opløsningsmiddelvandsmolekyler. Analyse af neutrondiffraktionsdata for glycin viste, at det var i zwitterionisk form i fast tilstand og bekræftede tilstedeværelsen af ​​hydrogenbindinger. Teoretiske beregninger er blevet brugt til at vise, at zwitterioner også kan være til stede i gasfasen i nogle tilfælde, der er forskellige fra den simple carboxylsyre-til-aminoverførsel.

Den p K a værdier for deprotonering af de fælles aminosyrer spænder det omtrentlige område2,15 ± 0,2 . Dette er også i overensstemmelse med, at zwitterionen er den dominerende isomer, der er til stede i en vandig opløsning. Til sammenligning er den enkle carboxylsyre propionsyre ( CH
3CH
2CO
2H ) har ap K en værdi på 4,88.

Andre forbindelser

Sulfaminsyre krystalliserer i zwitterionformen.

I krystaller af anthranilic acid er der to molekyler i enhedscellen . Det ene molekyle er i zwitterionform, det andet ikke.

I fast tilstand, H 4 EDTA er en zwitterion med to protoner er blevet overført fra carboxylsyregrupper til nitrogenatomerne.

Teoretiske studier

pyridoxalphosphat

Selvom ligevægten i opløsning mellem en forbindelse og dens zwitterion -isomer ikke kan undersøges eksperimentelt, kan der opnås en vis indsigt fra resultaterne af teoretiske beregninger. Et godt eksempel er forsynet med pyridoxalphosphat, en form for vitamin B 6 . En tautomer ligevægt blev forudsagt at opnå i en vandig opløsning af denne forbindelse, hvilket favoriserer zwitterionen, hvori en proton overføres fra den phenoliske -OH -gruppe til nitrogenatomet.

Betainer og lignende forbindelser

Forbindelsen trimethylglycin , som blev isoleret fra sukkerroer , blev navngivet som "betain". Senere blev der opdaget andre forbindelser, der indeholder det samme strukturmotiv, et kvaternært nitrogenatom med en carboxylatgruppe knyttet til det via et –CH 2 - link. På nuværende tidspunkt er alle forbindelser, hvis struktur inkluderer dette motiv, kendt som betaines. Betainer isomeriserer ikke, fordi de kemiske grupper knyttet til nitrogenatomet ikke er labile . Disse forbindelser kan klassificeres som permanente zwitterioner, da isomerisering til et molekyle uden elektriske ladninger ikke forekommer eller er meget langsom.

Andre eksempler på permanente zwitterioner indbefatter phosphatidylcholiner og psilocybin , som også indeholder et kvaternært nitrogenatom, men med en negativt ladet phosphatgruppe i stedet for en carboxylatgruppe; og pulmonale overfladeaktive midler, såsom dipalmitoylphosphatidylcholin .

Konjugerede Zwitterions

Stærkt polariserede konjugerede forbindelser (konjugerede zwitterioner) er typisk meget reaktive, deler diradisk karakter, aktiverer stærke bindinger og små molekyler og fungerer som forbigående mellemprodukter i katalyse. Donor-acceptor-enheder har stor anvendelse inden for fotokemi ( fotoinduceret elektronoverførsel ), organisk elektronik , switching og sensing .

Se også

Referencer