В химии — цвиттерион ( / ˈt s vɪ tə ˌ r aɪ ə n / TSVIT -ə - ry -ən ; от немецкого Zwitter [ˈtsvɪtɐ] « гермафродит »), также называемый внутренней солью или диполярным ионом , [1] представляет собой молекулу , содержащую равное количество положительно и отрицательно заряженных функциональных групп . [2] Например, в случае аминокислот в растворе химическое равновесие будет установлено между «родительской» молекулой и цвиттерионом.
Бетаины — это цвиттерионы, которые не могут изомеризоваться в полностью нейтральную форму, например, когда положительный заряд находится на четвертичной аммониевой группе. Аналогично, молекула, содержащая фосфониевую группу и карбоксилатную группу, не может изомеризоваться.
Таутомерия аминокислот следует этой стехиометрии:
Соотношение концентраций двух видов в растворе не зависит от pH .
На основе теоретического анализа было высказано предположение, что цвиттер-ион стабилизируется в водном растворе за счет водородных связей с молекулами растворяющей воды. [3] Анализ данных нейтронной дифракции для глицина показал, что он находится в цвиттер-ионной форме в твердом состоянии, и подтвердил наличие водородных связей. [4] Теоретические расчеты были использованы для того, чтобы показать, что цвиттер-ионы могут также присутствовать в газовой фазе в некоторых случаях, отличных от простого переноса карбоновой кислоты в амин. [5]
Значения p K a для депротонирования обычных аминокислот охватывают приблизительный диапазон2,15 ± 0,2 . Это также согласуется с тем, что цвиттер-ион является преобладающим изомером, присутствующим в водном растворе. Для сравнения, простая карбоновая кислота пропионовая кислота ( CH 3 CH 2 CO 2 H ) имеет значение ap K a 4,88.
Сульфаминовая кислота кристаллизуется в форме цвиттериона. [6]
В кристаллах антраниловой кислоты в элементарной ячейке находятся две молекулы . Одна молекула находится в форме цвиттер-иона, другая — нет. [7]
В твердом состоянии H 4 EDTA представляет собой цвиттер-ион с двумя протонами, перенесенными из групп карбоновой кислоты на атомы азота. [8]
В псилоцибине протон на диметиламиногруппе является лабильным и может переходить на фосфатную группу, образуя соединение, которое не является цвиттер-ионом.
Понимание равновесия в растворе может быть получено из результатов теоретических расчетов. Например, пиридоксальфосфат, форма витамина B 6 , в водном растворе, как предсказывают, имеет равновесие, благоприятствующее таутомерной форме, в которой протон переносится из фенольной -ОН группы на атом азота. [9]
Поскольку таутомеры являются различными соединениями, иногда они имеют достаточно разные структуры, чтобы их можно было обнаружить независимо в их смеси. Это позволяет проводить экспериментальный анализ равновесия. [10]
Соединение триметилглицин , которое было выделено из сахарной свеклы , было названо «бетаином». Позже были обнаружены другие соединения, которые содержат тот же структурный мотив, четвертичный атом азота с карбоксилатной группой, присоединенной к нему через связь –CH 2 – . В настоящее время все соединения, структура которых включает этот мотив, известны как бетаины. Бетаины не изомеризуются, поскольку химические группы, присоединенные к атому азота, не являются лабильными . Эти соединения можно классифицировать как постоянные цвиттерионы, поскольку изомеризация в молекулу без электрических зарядов не происходит или происходит очень медленно. [11]
Другие примеры постоянных цвиттерионов включают фосфатидилхолины, которые также содержат четвертичный атом азота, но с отрицательно заряженной фосфатной группой вместо карбоксилатной группы; сульфобетаины , которые содержат четвертичный атом азота и отрицательно заряженную сульфонатную группу; [12] и легочные поверхностно-активные вещества, такие как дипальмитоилфосфатидилхолин . Лаурамидопропилбетаин является основным компонентом кокамидопропилбетаина.
Сильно поляризованные сопряженные соединения (сопряженные цвиттерионы) обычно очень реакционноспособны, имеют бирадикальный характер, активируют сильные связи и небольшие молекулы и служат временными промежуточными продуктами в катализе. [13] Донорно-акцепторные соединения широко используются в фотохимии ( фотоиндуцированный перенос электронов ), органической электронике , переключении и зондировании .