Цві тер іо н англ zwitterion рос цвиттер ион це хімічна сполука в молекулах якої є просторово розділені електричні форма

Цві́тер-іо́н (англ. zwitterion, рос. цвиттер-ион) — це хімічна сполука, в молекулах якої є просторово розділені електричні формально одиничні протилежні заряди. У цілому молекула є нейтральною.

Такі сполуки виникають зокрема при внутрішньомолекулярному обміні протоном в амфотерних сполуках. Прикладами цвітер-іонів є амоніоацетат (гліцин) H₃N⁺CH₂C(=O)O^–, триметилгліцин (CH₃)₃N⁺CH₂C(=O)O^–, триметиламіноксид (CH₃)₃N⁺–O^–. Триметилгліцин, або бетаїн, не може ізомеризуватися до незарядженої форми. Подібно, фосфонієві сполуки, що містять карбоксильні групи завжди зберігають розподіл зарядів і є цвітер-іонами.

Деякі хіміки наполягають на тому, що термін «цвітер-іон» повинен вживатися лише у випадку, коли заряди локалізовані на несуміжних атомах. Інакше, повинен вживатися термін «ілід».

Властивості

Форма цвітер-іонної сполуки залежить від pH середовища. Залежно від pH середовища молекула буде приймати чи віддавати протон H⁺. Цвітер-іон перебуває в рівновазі з відповідними катіонними та аніонними формами. При pH нижче від pK_a протонування, цвітер-іон перебуватиме в катіонній формі. При pH вище pK_a депротонування, цвітер-іон перебуватиме в аніонній формі. Між цими двома величинами (при pH близькому до pI) молекула перебуватиме здебільшого в цвітер-іонній формі.

Це можна проілюструвати на прикладі амінокислоти гліцину. pK_a протонування гліцину є 2,34, pK_a депротонування — 9,6, відповідно, pI є 5,97. Отже, при pH < 2,34 гліцин є позитивно зарядженим, при pH > 9,6 гліцин є негативно зарядженим. Між цими двома pH гліцин матиме і позитивний, і негативний заряд, тобто молекула буде в цвітер-іонній формі.

{\ce {H3N+CH2CO2H <=> H3N+CH2CO2- <=> H2NCH2CO2-}}

Амінокислоти

Амінокислоти у розчині перебувають у стані хімічної рівноваги між формою без зарядів і цвітер-іонною формою. Рівновага встановлюється у два етапи. Спершу протон карбоксильною групи переходить до молекули води утворюючи гідроксоній та залишаючи негативний заряд на амінокислоті:

\mathrm {H_{2}N(R)CO_{2}H+H_{2}O\longrightarrow H_{2}N(R)CO_{2}^{-}+H_{3}O^{+}}

Потім, протон гідроксонія переходить до аміно групи залишаючи молекулу води і утворюючи позитивний заряд на аміногрупі і приводячи загальний заряд молекули амінокислоти до нейтрального:

\mathrm {H_{2}N(R)CO_{2}^{-}+H_{3}O^{+}\longrightarrow H_{3}N^{+}(R)CO_{2}^{-}+H_{2}O}

Загалом, реакція ізомеризації виглядає наступним чином:

\mathrm {H_{2}N(R)CO_{2}H\longrightarrow H_{3}N^{+}(R)CO_{2}^{-}}

Відношення концентрацій двох форм амінокислоти (незарядженої, [H₂N(R)CO₂H], і цвітер-іонної, [H₃N⁺(R)CO₂^-]) у розчині є незалежним від pH середовища і відоме як константа рівноваги K реакції ізомеризації:

K=\mathrm {\frac {[H_{3}N^{+}(R)CO_{2}^{-}]}{[H_{2}N(R)CO_{2}H]}}

Зазвичай, K > 1, що значить, що цвітер-іонна форма є домінуючим ізомером у водному розчині. Пояснення запропоноване на базі теоретичного аналізу передбачає, що цвітер-іон стабілізується в водному середовищі за рахунок водневих зв'язків з молекулами розчинника (води). Аналіз данних нейтронної дифракції гліцину вказує, що гліцин перебуває у цвітер-іонній формі в твердому стані, і підтверджує існування водневих зв'язків. Теоретичні розрахунки вказують, що цвітер-іонна форма може бути присутня у деяких випадках в газовій фазі також.

Бетаїни та подібні сполуки

Сполука триметилгліцин, що була ізольована з цукрового буряку, була названа «бетаїн». Пізніше, інші сполуки, що мали подібний структурний елемент (четвертинний атом нітрогену з карбоксильною групою приєднаною до нього через метиленовий місток -CH₂-), були відкриті також. Наразі, усі сполуки, що містять цей структурний елемент узагальнено називаються бетаїнами. Бетаїни постійно перебувають в цвітер-іонній формі; ізомеризація до незарядженої форми не відбувається, або ж відбувається вкрай повільно.

Іншими прикладами постійних цвітер-іонів є фосфатидилхоліни та псилоцибін, які також містять четвертинний атом нітрогену і негативно заряджену фосфатну групу замість карбоксильної; та легеневі сурфактанти такі як дипальмітоїлфосфатидилхолін.

Триметилгліцин
Фосфатидилхолін
Псилоцибін
Лаурамідопропіл бетаїн, основний компонент кокамідопропіл бетаїну

Інші сполуки

Ізомеризація
(з цвітер-іонною формою праворуч)
Антранілова кислота
ЕДТА в цвітер-іонній формі

Сульфамінова кислота кристалізується в цвітеріонній формі.

В кристалах антранілової кислоти дві молекули кислоти розміщені в елементарні комірці. Одна з молекул є в цвітер-іонній формі, а інша — в незарядженій формі.

В твердому стані, EDTA існує в цвітер-іонній формі — два протони карбоксильних кислот є зміщені на атоми нітрогену.

Застосування

Цвітер-іони можуть використовуватися у буферних розчинах. Утворення цвітер-іонів спостерігається під час синтезу деяких іонних рідин. Вони також входять до складу багатьох миючих засобів.

Через наявність точкових електричних зарядів цвітер-іони мають кращу розчинність у воді, ніж незареджена форма молекули. Тому багато активних фармацевтичних складників є саме у цвітер-іонній формі. Наприклад, цетиризин у препараті Зіртек.

Примітки

. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (англ.) . Архів оригіналу за 18 січня 2021. Процитовано 27.09.2020.
. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (англ.) . Архів оригіналу за 23 жовтня 2020. Процитовано 27.09.2020.
. Organic Chemistry On-Line Learning Center, University of Calgary (англ.) . Архів оригіналу за 16 листопада 2020. Процитовано 27.09.2020.
Jensen, Jan H.; Gordon, Mark S. (1995). . Journal of the American Chemical Society. 117 (31): 8159—8170. doi:10.1021/ja00136a013. Архів оригіналу за 2 грудня 2020. Процитовано 27 вересня 2020.
Jönsson, P.-G.; Kvick, Å. (1972). (PDF). Acta Crystallographica Section B. 28 (6): 1827—1833. doi:10.1107/S0567740872005096. Архів оригіналу (PDF) за 14 березня 2020. Процитовано 27 вересня 2020.
Price, William D.; Jockusch, Rebecca A.; Williams, Evan R. (1997). Is Arginine a Zwitterion in the Gas Phase?. Journal of the American Chemical Society. 119 (49): 11988—11989. doi:10.1021/ja9711627. PMC 1364450. PMID 16479267.
Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2000). Lehninger, Principles of Biochemistry (вид. 3rd). New York: Worth Publishing. ISBN .
Sass, R. L. (1960). A neutron diffraction study on the crystal structure of sulfamic acid. Acta Crystallographica. 13 (4): 320—324.
Brown, C. J.; Ehrenberg, M. (1985). Anthranilic acid, C₇H₇NO₂, by neutron diffraction. Acta Crystallographica C. 41 (3): 441—443. doi:10.1107/S0108270185004206.
Cotrait, Par Michel (1972). La structure cristalline de l'acide éthylènediamine tétraacétique, EDTA [The crystalline structure of ethylenediamine tetraacetic acid, EDTA]. Acta Crystallographica B. 28 (3): 781—785. doi:10.1107/S056774087200319X.

[1] . IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (англ.) . Архів оригіналу за 18 січня 2021. Процитовано 27.09.2020.

[2] . IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (англ.) . Архів оригіналу за 23 жовтня 2020. Процитовано 27.09.2020.

[3] . Organic Chemistry On-Line Learning Center, University of Calgary (англ.) . Архів оригіналу за 16 листопада 2020. Процитовано 27.09.2020.

[4] Jensen, Jan H.; Gordon, Mark S. (1995). . Journal of the American Chemical Society. 117 (31): 8159—8170. doi:10.1021/ja00136a013. Архів оригіналу за 2 грудня 2020. Процитовано 27 вересня 2020.

[5] Jönsson, P.-G.; Kvick, Å. (1972). (PDF). Acta Crystallographica Section B. 28 (6): 1827—1833. doi:10.1107/S0567740872005096. Архів оригіналу (PDF) за 14 березня 2020. Процитовано 27 вересня 2020.

[6] Price, William D.; Jockusch, Rebecca A.; Williams, Evan R. (1997). Is Arginine a Zwitterion in the Gas Phase?. Journal of the American Chemical Society. 119 (49): 11988—11989. doi:10.1021/ja9711627. PMC 1364450. PMID 16479267.

[7] Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2000). Lehninger, Principles of Biochemistry (вид. 3rd). New York: Worth Publishing. ISBN .

[Sass-8] Sass, R. L. (1960). A neutron diffraction study on the crystal structure of sulfamic acid. Acta Crystallographica. 13 (4): 320—324.

[9] Brown, C. J.; Ehrenberg, M. (1985). Anthranilic acid, C₇H₇NO₂, by neutron diffraction. Acta Crystallographica C. 41 (3): 441—443. doi:10.1107/S0108270185004206.

[10] Cotrait, Par Michel (1972). La structure cristalline de l'acide éthylènediamine tétraacétique, EDTA [The crystalline structure of ethylenediamine tetraacetic acid, EDTA]. Acta Crystallographica B. 28 (3): 781—785. doi:10.1107/S056774087200319X.