MCHP-R0-100-2505 • Otwarte krótkie • 2 pkt • Trudność: ★★★★★

Zadanie 28

Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony

Wymaganie:

X.7 — alkohole, halogeno-pochodne. X.10 — aminokwasy, synteza HVZ.

Treść zadania

W jednej z metod syntezy α-aminokwasów pierwszym etapem jest reakcja kwasu karboksylowego z bromem. W obecności fosforu i w odpowiednich warunkach jeden z atomów wodoru przy atomie węgla α w cząsteczce kwasu jest zastępowany przez atom bromu. W drugim etapie, pod działaniem stężonego wodnego roztworu amoniaku, następuje wymiana atomu bromu na grupę aminową. W efekcie powstaje sól amonowa odpowiedniego aminokwasu.

Przeprowadzono ciąg przemian, w wyniku których z kwasu propanowego (propionowego) powstał związek B:

kwas propanowy —(Br₂, P, reakcja 1.)→ związek A —(nadmiar NH₃ (aq), reakcja 2.)→ związek B

Zadanie 28.1. (0–1)

Napisz w formie cząsteczkowej równanie reakcji 1. Zastosuj wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych.

Równanie reakcji 1.: ............

Zadanie 28.2. (0–1)

Związek A reaguje z amoniakiem w stosunku molowym $n_{A} : n_{N H_{3}} = 1 : 3$ (reakcja 2.).

Napisz w formie jonowej równanie reakcji 2.

Równanie reakcji 2.: ............

Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF

Rozwiązanie

28.1. Reakcja 1 — bromowanie alfa kwasu propanowego (HVZ):

$CH_{3} - CH_{2} - COOH + Br_{2} P CH_{3} - CHBr - COOH + HBr$

Produkt A = kwas 2-bromopropanowy = α-bromopropionowy.

Mechanizm HVZ:

P + Br₂ → PBr₃ (in situ).
PBr₃ + RCOOH → RCOBr (bromek acylu) + HX (sprzężenie).
Bromek acylu enolizuje + atak α C → α-Br.
Hydroliza → α-bromokwas.

28.2. Reakcja 2 — zamiana Br na NH₂ + zobojętnianie:

Stosunek 1 A : 3 NH₃ wskazuje na 3 funkcje amoniaku:

Substytucja nukleofilowa Br → NH₂ (1 NH₃ używane jako nukleofil).
Zobojętnianie powstałego HBr (1 NH₃ + HBr → NH₄Br).
Zobojętnianie kwasowej grupy -COOH w aminokwasie (1 NH₃ + R-COOH → R-COO⁻ NH₄⁺).

Równanie jonowe skrócone:

$CH_{3} - CHBr-COOH + 3 NH_{3} \to CH_{3} - CH(NH_{2})-COO^{-} + 2 NH_{4}^{+} + Br^{-}$

Produkt B (sól amonowa) zawiera:

Anion alaniny CH₃-CH(NH₂)-COO⁻.
2 kationy NH₄⁺ (z 2 mol NH₃ + 2 H⁺).
Anion Br⁻.

Bilans:

C: 3 = 3 ✓.
N: 3 = 1 (alanin-) + 2 (NH₄⁺) = 3 ✓.
O: 2 = 2 ✓.
Br: 1 = 1 ✓.
H: 5 + 9 = 14 (lewa) = 6 + 8 = 14 (prawa) ✓.
Ładunek: 0 = -1 + 2 + (-1) = 0 ✓.

Produkt B = sól amonowa alaniny (jest to alaninian dwuamonowo-bromkowy mieszany).

Typowy błąd / pułapka

Pułapka 28.1 — bromowanie nie pozycji α. Klucz: HVZ reakcja selektywnie bromuje α C (z grupy karboksylowej). NIE β, γ. Pozycja α = sąsiadująca z COOH.

Pułapka 28.2 — pominięcie zobojętniania. Stosunek 1:3 NH₃ obejmuje 3 zastosowania amoniaku: substytucja, neutralizacja HBr, neutralizacja COOH. Sumaryczne równanie musi to uwzględniać.

Pułapka 28.2 — pisanie cząsteczkowo zamiast jonowo. Zadanie wyraźnie pyta o formę jonową (rozkład soli na jony).

Strona arkusza CKE z trescia zadania

Zadanie 28 - synteza alaniny — Strona 32 arkusza CKE 2025 PR chemia - zadanie 28 (HVZ + NH3, synteza alaniny). Na podstawie: CKE 2025 Oryginalny PDF CKE, str. 32

Klucz pojęciowy — reakcja HVZ (Hella-Volharda-Zelinskiego)

HVZ = klasyczna metoda bromowania (chlorowania) α-pozycji kwasów karboksylowych.

Warunki:

Br₂ (lub Cl₂).
Katalizator: fosfor czerwony (P) lub PBr₃ (in situ).
Brak światła (NIE jest to rodnikowe).

Mechanizm (selektywne na α):

P + Br₂ → PBr₃.
R-COOH + PBr₃ → R-COBr (bromek acylu) + HOPBr₂.
Bromek acylu enolizuje łatwiej niż kwas (C=O sąsiednie aktywuje α C-H).
Enol + Br₂ → α-Br-RCOBr.
Hydroliza (lub wymiana z RCOOH) → α-Br-RCOOH + HBr.

Wynik: selektywnie 1 H na α C zastąpiony przez Br.

Klucz pojęciowy — synteza Gabriela vs HVZ + NH₃

Synteza Gabriela (klasyczna) i HVZ + NH₃ (tu w zadaniu) — obie dają α-aminokwasy z α-halogenokwasów.

HVZ + NH₃ (w zadaniu):

α-Br-RCOOH + NH₃ (nadmiar) → α-NH₂-RCOOH + HBr.
Mechanizm: SN2 — NH₃ atakuje C-Br, Br⁻ odchodzi.

Wymaga nadmiaru NH₃ by:

Zapobiec wielokrotnemu alkilowaniu (R-NH₂ jest nadal nukleofilem, może reagować z innym R-Br).
Zobojętnić HBr + COOH (sól amonowa).

Mechanizm szczegółowy

Reakcja 1 — bromowanie HVZ kwasu propanowego:

CH₃CH₂COOH + Br₂ → (P, kat.) → CH₃CHBrCOOH (kwas 2-bromopropanowy) + HBr.

Czerwony fosfor aktywuje brom + sam ulega bromowaniu (PBr₃) → następuje bromowanie α-pozycji kwasu.

Reakcja 2 — SN2 + neutralizacja w nadmiarze NH₃:

Krok A — SN2 substytucja: CH₃CHBrCOOH + NH₃ → CH₃CH(NH₃⁺)COOH + Br⁻.

Krok B — neutralizacja powstałej grupy NH₃⁺ przez kolejny NH₃: CH₃CH(NH₃⁺)COOH + NH₃ → CH₃CH(NH₂)COOH + NH₄⁺.

(Lub: alanina w formie obojnaczej zwitterion: CH₃CH(NH₃⁺)COO⁻.)

Krok C — neutralizacja grupy -COOH alaniny przez kolejny NH₃: CH₃CH(NH₂)COOH + NH₃ → CH₃CH(NH₂)COO⁻ + NH₄⁺.

Sumarycznie: 1 mol A + 3 mol NH₃ → 1 mol alanin-anionu + 2 mol NH₄⁺ + 1 mol Br⁻.

Mechanizm: produkt B

Produkt B = sól amonowa alaniny (alanina = CH₃-CH(NH₂)-COOH).

W roztworze (po reakcji 2) obecne są:

Aniony alaninowe (CH₃-CH(NH₂)-COO⁻).
2 mole NH₄⁺ (kationy).
Br⁻ (anion).

To mieszana sól amonowa: alaninian + bromek amonu razem w jednym roztworze.

Klucz pojęciowy — alanina

Cecha	Wartość
Wzór	CH₃-CH(NH₂)-COOH
Nazwa	Kwas 2-aminopropanowy (α-alanina)
Klasa	α-aminokwas (NH₂ na C sąsiednim z COOH)
Chiralność	Tak (C2 = 4 różne grupy)
Forma naturalna	L-alanina (S)
Rola biologiczna	Aminokwas białkowy, niezbędny w syntezie białek
pI (punkt izoelektryczny)	~6,0

Punktacja CKE

28.1. 1 pkt — równanie cząsteczkowe z α-bromowaniem.
28.2. 1 pkt — równanie jonowe z poprawnym bilansem 1:3.
Suma: 2 pkt.

Po co to umieć

Synteza HVZ-Strecker-Gabriel → klasyczne metody otrzymywania aminokwasów:

Strecker (1850): RCHO + NH₃ + HCN → α-aminonitryl → α-aminokwas. Najstarsza i wciąż używana.
Gabriel: ftalimid → α-NH₂-RCOOH. Bardziej selektywna.
HVZ + NH₃: prosta, ale daje racemat (R/S w stosunku 1:1).

Aminokwasy w przemyśle:

20 aminokwasów białkowych + ~150 innych w przyrodzie.
Glutaminian sodu (MSG) — wzmacniacz smaku (E621), produkcja milionów ton.
Lizyna, metionina — dodatki do paszy zwierząt (~3 mln ton/rok każda).
Aspartam = ester metylowy dipeptydu Asp-Phe — słodzik (E951).

Synteza farmaceutyczna:

α-aminokwasy = surowce do peptydów i białek terapeutycznych.
Insulina rekombinowana, erytropoetyna (EPO), przeciwciała monoklonalne — wszystko z aminokwasów.

Mieszanina racemiczna w HVZ + NH₃:

Atom α C ma 4 różne grupy (po reakcji) → chiralny.
SN2 zachodzi z obu stron → 50% R + 50% S.
W farmacji często tylko jeden enancjomer jest aktywny → potrzeba rozdziału (chromatografia chiralna, krystalizacja diastereomerów).

Naturalne aminokwasy = wszystkie L (poza glicyną, niechiralną). Bakterie produkują aminokwasy enzymatycznie ze stereospecyficznością.

Podobne zadania

identyfikacja, glicerol, kwas mlekowy, peptyd, biuretowa, Cu(OH)2

Zadanie 26 (1 pkt)

W celu zidentyfikowania wodnych roztworów trzech substancji: glicerolu (propano-1,2,3-triolu), kwasu mlekowego (kwasu 2-hydroksypropanowego) i alanyloglicyloalaniny, przeprowadzono doświadczenie. W trzech probówkach I–III przygotowano świeżo strącony wodorotlenek miedzi(II) i do każdej z nich wprowadzono po jednym z badanych roztworów w nadmiarze. Probówki, wraz z zawartością, energicznie wstrząśnięto i we wszystkich zaobserwowano roztworzenie wodorotlenku miedzi(II). Na poniższych zdjęciach przedstawiono zawartości probówek po zakończeniu doświadczenia: - **Probówka I**: roztwór fioletowy - **Probówka II**: roztwór ciemnoniebieski (granatowy, szafirowy) - **Probówka III**: roztwór jasnoniebieski ### Zadanie 26. (0–1) Rozstrzygnij, do której probówki (I, II albo III) wprowadzono roztwór kwasu mlekowego. Napisz w **formie cząsteczkowej** równanie reakcji, która zaszła w tej probówce podczas opisanego doświadczenia. Rozstrzygnięcie: ............ Równanie reakcji: ............

Rozumiesz, jak to rozwiązać?

Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji

matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „chemia organiczna, synteza aminokwasów, alanina, HVZ, bromowanie alfa, kwas propanowy" zrobisz samodzielnie.

Otwórz matury-online.pl