Simulation: Titrationskurven von Aminosäuren

Titrationskurven von Aminosäuren

Aminosäuren sind Ampholyte

α-Aminocarbonsäuren (2-Aminocarbonsäuren) tragen am selben C-Atom eine Carboxygruppe und eine Aminogruppe. R steht für die Seitenkette; bei Glycin ist R ein H-Atom.

Die Carboxygruppe kann ein Proton abgeben, die Aminogruppe ein Proton aufnehmen. Teilchen, die als Säure und als Base reagieren können, heißen Ampholyte.

Im festen Zustand liegen Aminosäuren als Zwitterionen vor: Ein Zwitterion trägt eine positiv geladene Ammonium-Gruppe und eine negativ geladene Carboxylat-Gruppe, insgesamt ist es ungeladen. Stellt man im Labor eine wässrige Aminosäure-Lösung her, gelangen also Zwitterionen in die Lösung. In biologischen Systemen liegen Aminosäuren gleich bei ihrer Entstehung in den Formen vor, die dem dort herrschenden pH-Wert entsprechen. Ungeladene Teilchen wie in der allgemeinen Formel kommen in Wasser praktisch nicht vor.

Kation, Zwitterion, Anion

In saurer Lösung nimmt die Carboxylat-Gruppe des Zwitterions ein Proton auf, in basischer Lösung gibt die Ammonium-Gruppe ein Proton ab. Beispiel Glycin:

H₃N+–CH₂–COO− + H₃O⁺ → H₃N+–CH₂–COOH + H₂O

H₃N+–CH₂–COO− + OH⁻ → H₂N–CH₂–COO− + H₂O

Jede Gruppe, die ein Proton abgeben kann, hat einen eigenen pK_S-Wert. Liegt der pH-Wert darunter, ist die Gruppe überwiegend protoniert, liegt er darüber, überwiegend deprotoniert. Glycin: pK_S1 = 2,34 (Carboxygruppe), pK_S2 = 9,60 (Ammonium-Gruppe).

Die Titrationskurve lesen

Vorgelegt werden 20 mL Aminosäure-Lösung (c = 0,1 mol/L), der so viel Salzsäure zugesetzt ist, dass nur Kationen vorliegen. Titriert wird mit Natronlauge (c = 0,2 mol/L). Die Gruppen geben ihre Protonen nacheinander an Hydroxid-Ionen ab, zuerst die mit dem kleinsten pK_S-Wert. Jede Protolysestufe ist ein Abschnitt der Kurve. Bei Glycin:

H₃N+–CH₂–COOH + OH⁻ → H₃N+–CH₂–COO− + H₂O (1. Stufe)

H₃N+–CH₂–COO− + OH⁻ → H₂N–CH₂–COO− + H₂O (2. Stufe)

• Startpunkt: fast nur Kationen, niedriger pH-Wert.
• Pufferbereich (pK_S ± 1): Puffersäure und Pufferbase einer Stufe liegen nebeneinander vor. Zugegebene Hydroxid-Ionen reagieren mit Teilchen der Puffersäure; die Kurve verläuft flach.
• Halbäquivalenzpunkt (im LehrplanPLUS Bayern: Halbtitrationspunkt): Die Hälfte der Puffersäure einer Stufe ist umgesetzt, Puffersäure und Pufferbase liegen etwa im Verhältnis 1 : 1 vor, pH ≈ pK_S. Hier ist die Kurve am flachsten (Wendepunkt).
• Äquivalenzpunkt: Die Puffersäure einer Stufe ist vollständig umgesetzt. Die Lösung puffert kaum, der pH-Wert steigt stark an.

Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

pH = pK_S + lg c(Pufferbase)c(Puffersäure)

Warum am Halbäquivalenzpunkt nicht immer genau pH = pK_S gilt

Die Regel setzt voraus, dass nur die zugegebenen Hydroxid-Ionen Puffersäure umsetzen. Beispiel Glycin am ersten Halbäquivalenzpunkt (5 mL Natronlauge):

• Die 1,00 mmol Hydroxid-Ionen haben 1,00 mmol Kationen zu Zwitterionen umgesetzt.
• Das Glycin-Kation gibt sein erstes Proton leicht ab (pK_S1 = 2,34). Zusätzlich haben deshalb Kationen Protonen an Wasser-Moleküle abgegeben: In der Lösung sind etwa 0,095 mmol Oxonium-Ionen, und ebenso viele Zwitterionen sind zusätzlich entstanden.
• Es liegen etwa 55 % Zwitterionen und 45 % Kationen vor, nicht je 50 %: pH = 2,34 + lg (55/45) ≈ 2,42.

Ähnlich ist es am ersten Halbäquivalenzpunkt der anderen Aminosäuren: Glutaminsäure pH 2,29 (pK_S1 = 2,19), Lysin pH 2,31 (pK_S1 = 2,20), Histidin pH 2,01 (pK_S1 = 1,80). An den übrigen Halbäquivalenzpunkten sind die Konzentrationen der Oxonium-Ionen und der Hydroxid-Ionen klein gegenüber den Konzentrationen der Pufferteilchen; der Unterschied beträgt dort höchstens 0,05. Bei Lysin rührt er daher, dass beide Ammonium-Gruppen ihre Protonen teilweise gleichzeitig abgeben. Ein pH-Meter zeigt in einer echten Messung am ersten Halbäquivalenzpunkt etwa 0,1 mehr an als die Rechnung, weil es die Aktivität der Oxonium-Ionen misst.

Der isoelektrische Punkt

Definition: Der isoelektrische Punkt (IEP) ist der pH-Wert, bei dem die Aminosäure-Teilchen fast ausschließlich als Zwitterionen vorliegen. Kationen und Anionen sind in gleicher, sehr geringer Menge vorhanden.

Berechnung am Beispiel Glycin, aus den Säurekonstanten der beiden Stufen:

K_S1 = c(H₃O⁺) · c(Zwitterion)c(Kation)   K_S2 = c(H₃O⁺) · c(Anion)c(Zwitterion)

Multipliziert man beide Gleichungen und setzt c(Kation) = c(Anion), folgt:

c²(H₃O⁺) = K_S1 · K_S2   IEP = pK_S1 + pK_S22 = 2,34 + 9,602 = 5,97

Allgemein mittelt man die beiden pK_S-Werte, zwischen denen das Zwitterion überwiegt.

Ermittlung aus der Titrationskurve: Mittelwert der pH-Werte an den beiden Halbäquivalenzpunkten, zwischen denen das Zwitterion überwiegt. Oder der pH-Wert an dem Äquivalenzpunkt, an dem nur noch Zwitterionen vorliegen: bei Glycin und Glutaminsäure am ersten, bei Lysin und Histidin am zweiten Äquivalenzpunkt.

Bedeutung: Der IEP ist nicht der Neutralpunkt (pH 7). Am IEP ist die Löslichkeit am geringsten, weil sich die Zwitterionen über ihre entgegengesetzt geladenen Gruppen anziehen. Im elektrischen Feld wandern die Teilchen am IEP kaum. Unterhalb des IEP sind mehr Kationen als Anionen vorhanden, die Aminosäure wandert zur Kathode; oberhalb mehr Anionen als Kationen, sie wandert zur Anode. Darauf beruht die Elektrophorese.

Aminosäuren mit saurer oder basischer Seitenkette

Trägt die Seitenkette eine weitere Gruppe, die ein Proton abgeben kann, hat die Titrationskurve drei Stufen.

• Glutaminsäure, R = –CH₂–CH₂–COOH (pK_S 2,19 / 4,25 / 9,67): Das Zwitterion überwiegt zwischen der ersten und der zweiten Stufe, der IEP liegt bei 3,22 im sauren Bereich.
• Lysin, R = –(CH₂)₄–NH₂ (pK_S 2,20 / 8,90 / 10,28): Das Zwitterion überwiegt zwischen der zweiten und der dritten Stufe, der IEP liegt bei 9,59 im basischen Bereich.
• Histidin, R = –CH₂–Imidazol-Ring (pK_S 1,80 / 5,99 / 9,07): IEP 7,53; um pH 6 puffern Histidin-Lösungen gut.

Der deutlichste pH-Sprung ist hier nicht unbedingt der IEP: Bei Lysin liegt der große Sprung am ersten Äquivalenzpunkt (pH etwa 5,6), der IEP am zweiten, an dem die Kurve kaum springt.

Warum die Carboxygruppe ihr Proton so leicht abgibt

Für das Ethansäure-Molekül gilt pK_S = 4,76, für das Proton der Carboxygruppe im Glycin-Kation pK_S1 = 2,34. Die benachbarte, positiv geladene Ammonium-Gruppe zieht Elektronendichte ab (induktiver Effekt). Die O–H-Bindung wird stärker polarisiert, und die negative Ladung der entstehenden Carboxylat-Gruppe wird stabilisiert. Mit wachsendem Abstand nimmt der Effekt ab: Die Carboxygruppe in der Seitenkette der Glutaminsäure gibt ihr Proton schwerer ab (pK_S = 4,25).

Grenzen des Modells

• Gerechnet wird mit Konzentrationen statt mit Aktivitäten, bei 25 °C.
• Die pK_S-Werte stammen aus einer Schul-Datensammlung; andere Quellen weichen um einige Hundertstel bis Zehntel ab.
• Die ungeladene Form ist nicht berücksichtigt; ihr Anteil ist verschwindend gering.
• Bei Lysin geben beide Ammonium-Gruppen ihr Proton teilweise gleichzeitig ab. Vereinfacht reagiert zuerst die α-Ammonium-Gruppe; bei Histidin reagiert der Imidazolium-Ring vor der Ammonium-Gruppe.
• Die Volumina von Probe und Natronlauge werden addiert. Kohlenstoffdioxid aus der Luft wird nicht berücksichtigt.
• Gezeigt werden nur die Aminosäure-Teilchen. In der Lösung liegen außerdem Wasser-Moleküle, Natrium-Ionen, Chlorid-Ionen, Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen vor.