Αμίδια

Δομές τριών ειδών αμιδίων: ένα οργανικό αμίδιο, ένα σουλφ(αν)αμίδιο (σουλφ(αν)αμίδη) και ένα φωσφοραμίδιο (φωσφοραμίδη).

Ένα αμίδιο,[1][2][3] (amide, acid amide), είναι μια ένωση με τη χαρακτηριστική ομάδα RnE(O)xNR'2 (R και R' αναφέρονται σε Η ή οργανικές ομάδες). Τα πιο συνηθισμένα είναι τα οργανικά αμίδια (n = 1, E = C, x = 1), αλλά πολλοί άλλοι σημαντικοί τύποι αμιδίων είναι γνωστοί συμπεριλαμβανομένων των φωσφοραμιδίων (n = 2, E = P, x = 1 και πολλών σχετικών τύπων) και των σουλφοναμιδίων (E = S, x= 2).[4] Ο όρος αμίδιο αναφέρεται και για την τάξη των ενώσεων και για την χαρακτηριστική ομάδα (RnE(O)xNR'2) μέσα σε αυτές τις ενώσεις.

Ο όρος αμίδιο μπορεί επίσης να αναφέρεται στη συζυγή βάση της αμμωνίας (το ανιόν H2N−) ή σε μια οργανική αμίνη (ένα ανιόν R2N−).

Το υπόλοιπο αυτού του άρθρου είναι σχετικά με την έννοια του αμιδίου καρβονυλίου-αζώτου.

Δομή και δεσμοί

Τα πιο απλά αμίδια είναι παράγωγα της αμμωνίας όπου ένα άτομο υδρογόνου έχει αντικατασταθεί από μια ομάδα ακυλίου. Το σύνολο αναπαριστάνεται γενικά ως RC(O)NH2. Στενά συσχετισμένα και ακόμα πιο πολυάριθμα είναι τα αμίδια που παράγονται από τις πρωτοταγείς αμίνες (R'NH2) με τον τύπο RC(O)NHR'. Τα αμίδια παράγονται επίσης συχνά από δευτεροταγείς αμίνες (R'R''NH) με τον τύπο RC(O)NR'R''. Τα αμίδια θεωρούνται συνήθως ως παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων στα οποία το υδροξύλιο έχει αντικατασταθεί από μια αμίνη ή αμμωνία.

Μεσομέρεια αμιδίου:

Το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων στο άζωτο είναι απεντοπισμένο στο καρβονύλιο, σχηματίζοντας συνεπώς έναν μερικό διπλό δεσμό μεταξύ N και του καρβονυλίου του άνθρακα. Συνεπώς το άζωτο στα αμίδια δεν είναι πυραμιδικό. Εκτιμάται ότι το ακεταμίδιο περιγράφεται από δομή μεσομέρειας A για 62% και από B για 28%.[5]

Τα αμίδια έχουν διασπορά ενός συζευγμένου συστήματος μέσα από τα άτομα O, C και N, που αποτελούνται από μοριακά τροχιακά που κατέχονται από απεντοπισμένα ηλεκτρόνια. Ένα από τα π μοριακά τροχιακά στο μεθαναμίδιο φαίνεται παραπάνω.

Ονοματολογία

Στη συνηθισμένη ονοματολογία, προστίθεται ο όρος «αμίδιο» στο θέμα του ονόματος του γονικού οξέος. Παραδείγματος χάρη, το αμίδιο που παράγεται από το αιθανικό οξύ (ή οξικό οξύ) ονομάζεται αιθαναμίδιο (ή ακεταμίδιο) (CH3CONH2). Η IUPAC συνιστά την ονομασία αιθαναμίδιο. Όταν το αμίδιο παράγεται από μια πρωτοταγή ή δευτεροταγή αμίνη, οι υποκαταστάτες του αζώτου εμφανίζονται πρώτα στο όνομα. Συνεπώς, το αμίδιο που σχηματίζεται από Ν-μεθυλομεθαναμίνη (διμεθυλαμίνη) και αιθανικό οξύ είναι N,N-διμεθυλακεταμίδιο (CH3CONMe2, όπου Me = CH3). Συνήθως και αυτό το όνομα απλοποιείται σε διμεθυλακεταμίδιο. Τα κυκλικά αμίδια λέγονται λακτάμες· είναι κατ' ανάγκη δευτεροταγή ή τριτοταγή αμίδια. Οι χαρακτηριστικές ομάδες που αποτελούνται από -P(O)NR2 και -SO2NR2 είναι φωσφαναμίδια και σουλφαναμίδια, αντίστοιχα.[6]

Ιδιότητες

Βασικότητα

Συγκρινόμενα με τις αμίνες, τα αμίδια είναι πολύ ασθενείς βάσεις. Ενώ το συζυγές οξύ μιας αμίνης έχει pKa περίπου 9,5, το συζυγές οξύ ενός αμιδίου έχει μια pKa περίπου −0,5. Συνεπώς τα αμίδια δεν έχουν τόσο σαφώς παρατηρήσιμες ιδιότητες αντίδρασης οξέος-βάσης στο νερό. Αυτή η σχετική έλλειψη βασικότητας εξηγείται από τη φύση της απομάκρυνσης των ηλεκτρονίων του καρβονυλίου, όπου το μονήρες ζεύγος των ηλεκτρονίων στο άζωτο είναι απεντοπισμένο από τη μεσομέρεια. Αφ' ετέρου, τα αμίδια είναι πολύ πιο ισχυρές βάσεις από τα καρβοξυλικά οξέα, τους εστέρες, τις αλδεΰδες και τις κετόνες (συζυγή οξέα με pKa μεταξύ −6 και −10). Εκτιμάται σε προσομοίωση ότι το αιθαναμίδιο αναπαριστάνεται από δομή μεσομέρειας A κατά 62% και από B κατά 28%.[5] Η μεσομέρεια αποτρέπεται κατά πολύ στην πολύ τεταμένη κινουκλιδόνη (quinuclidone).

Λόγω της μεγαλύτερης ηλεκτραρνητικότητας του οξυγόνου, το καρβονύλιο (C=O) είναι πιο ισχυρό δίπολο από το δίπολο N–C. Η παρουσία ενός διπόλου C=Ο και σε μικρότερο βαθμό ενός διπόλου N–C, επιτρέπουν στα αμίδια να δρουν ως δέκτες δεσμού H. Στα πρωτοταγή και δευτεροταγή αμίδια, η παρουσία διπόλων N–Η επιτρέπει στα αμίδια να λειτουργούν ως δότης δεσμού H, επίσης. Συνεπώς τα αμίδια μπορούν να συμμετέχουν σε δεσμούς υδρογόνου με νερό και άλλους πρωτικούς διαλύτες· το άτομο οξυγόνου μπορεί να δεχθεί δεσμούς υδρογόνου από το νερό και τα άτομα υδρογόνου του N–Η μπορούν να δώσουν δεσμούς H. Ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων όπως αυτές, η διαλυτότητα στο νερό των αμιδίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των αντίστοιχων υδρογονανθράκων.

Το πρωτόνιο ενός πρωτοταγούς ή δευτεροταγούς αμιδίου δεν διίσταται εύκολα κάτω από κανονικές συνθήκες· το pKa είναι συνήθως αρκετά πάνω από 15. Αντίθετα, κάτω από εξαιρετικά όξινες συνθήκες, το καρβονυλικό οξυγόνο μπορεί να πρωτονιωθεί με ένα pKa χοντρικά −1.

Διαλυτότητα

Οι διαλυτότητες των αμιδίων και των εστέρων είναι χοντρικά συγκρίσιμες. Συνήθως, τα αμίδια είναι λιγότερο διαλυτά από τις παρόμοιες αμίνες και τα καρβοξυλικά οξέα, αφού αυτές οι ενώσεις μπορούν και να δώσουν και να δεχθούν δεσμούς υδρογόνου. Τα τριτοταγή αμίδια, με τη σημαντική εξαίρεση του N,N-διμεθυλοφορμαμίδιου, εμφανίζουν χαμηλή διαλυτότητα στο νερό.

Χαρακτηρισμός

Η παρουσία μιας χαρακτηριστικής ομάδας επιτυγχάνεται γενικά εύκολα, τουλάχιστον στα μικρά μόρια. Είναι οι πιο συνηθισμένες μη βασικές χαρακτηριστικές ομάδες. Μπορούν να διακριθούν από τη νιτρομάδα και την κυανομάδα από τα υπέρυθρα φάσματα τους. Τα αμίδια εμφανίζουν μιας μέτριας έντασης νCO ζώνη κοντά στα 1650 cm−1. Με φασματοσκοπία NMR 1H, σήματα CONHR εμφανίζονται στα χαμηλά πεδία. Στην κρυσταλλογραφία με ακτίνες X, το C(O)N κεντράρει μαζί με τα τρία αμέσως γειτονικά άτομα ορίζοντας χαρακτηριστικά ένα επίπεδο.

Εφαρμογές και εμφάνιση

Τα αμίδια είναι διάχυτα στη φύση και την τεχνολογία ως δομικά υλικά. Ο δεσμός του αμιδίου σχηματίζεται εύκολα, παρέχει δομική ακαμψία και αντιστέκεται στην υδρόλυση. Τα νάιλον είναι πολυαμίδια, όπως είναι τα πολύ ελαστικά υλικά αραμίδιο (aramid), τουαρόν (Twaron), and κέβλαρ (Kevlar). Οι δεσμοί αμιδίου συνιστούν ένα καθορισμένο μοριακό γνώρισμα των πρωτεϊνών, η δευτεροταγής δομή των οποίων οφείλεται μερικώς στις δυνατότητες του δεσμού υδρογόνου των αμιδίων. Οι αμιδικοί δεσμοί σε βιοχημικό περιεχόμενο ονομάζονται πεπτιδικοί δεσμοί όταν εμφανίζονται στην κύρια αλυσίδα μιας πρωτεΐνης και ισοπεπτιδικοί δεσμοί όταν εμφανίζονται σε μια πλευρική αλυσίδα της πρωτεΐνης. Οι πρωτεΐνες μπορεί να έχουν δομικούς ρόλους, όπως στην τρίχα ή στο μετάξι της αράχνης, αλλά επίσης σχεδόν όλα τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες. Αμίδια χαμηλής μοριακής μάζας, όπως το διμεθυλομεθαναμίδιο (HC(O)N(CH3)2), είναι συνηθισμένοι διαλύτες. Πολλά φάρμακα είναι αμίδια, συμπεριλαμβανομένων της πενικιλίνης και του LSD. Επιπλέον, φυτά N-αλκυλαμιδίων έχουν μια πλατιά περιοχή βιολογικών λειτουργιών.[7]

Σύνθεση αμιδίων

Τα αμίδια σχηματίζονται συνήθως μέσα από αντιδράσεις ενός καρβοξυλικού οξέος με μια αμίνη. Πολλές μέθοδοι είναι γνωστές για να οδηγήσουν την μη ευνοϊκή ισορροπία προς τα δεξιά:

RCO2Η + R'R"NH RC(O)NR'R" + H2O

Για το μεγαλύτερο μέρος, αυτές οι αντιδράσεις περιέχουν «ενεργοποίηση» του καρβοξυλικού οξέος και η καλύτερη γνωστή μέθοδος, η αντίδραση Σότεν-Μπάουμαν (Schotten-Baumann reaction), που εμπεριέχει μετατροπή του οξέος σε ακυλοχλωρίδια:

Σχηματισμός δεσμού αμιδίου
Όνομα αντίδρασης Υπόστρωμα Λεπτομέρειες
Αναδιάταξη Μπέκμαν Κυκλική κετόνη Αντιδραστήριο: υδροξυλαμίνη και οξύ
Αντίδραση Σμιντ Κετόνες Αντιδραστήριο: Υδραζωικό οξύ
Υδρόλυση νιτριλίου Νιτρίλιο Αντιδραστήριο: νερό· καταλύτης οξέος
Αντίδραση Βίλγκεροντ-Κίντλερ Αρυλοαλκυλοκετόνες Θείο και μορφολίνη
Αντίδραση Πασερίνι Καρβοξυλικό οξύ, κετόνη ή αλδεΰδη
Αντίδραση Ούγκι ισοκυανίδιο, καρβοξυλικό οξύ, κετόνη, πρωτοταγής αμίνη
Αντίδραση Μποντρού[8][9] Καρβοξυλικό οξύ, αντιδραστήριο Γκρινιάρ με ένα παράγωγο της ανιλίνης ArNHR' Αντίδραση Μποντρού
Αναδιάταξη Τσάπμαν[10][11] Ιμιδικό αρύλιο Για N,N-διαρυλικά αμίδια. Ο μηχανισμός της αντίδρασης βασίζεται σε μια πυρηνόφιλη αρωματική υποκατάσταση.[12]
Αναδιάταξη Τσάπμαν (Chapman)
Αναδιάταξη Τσάπμαν (Chapman)
Αμιδική σύνθεση Λιούκαρτ[13] Ισοκυανικό Αντίδραση του αρενίου με ισοκυανικό που καταλύεται από χλωριούχο αργίλιο, σχηματισμός αρωματικού αμιδίου.
Αντίδραση Ρίτερ[14] Αλκένια, αλκοόλες, ή άλλες πηγές ιόντος καρβονίου Δευτεροταγή αμίδια μέσω μιας αντίδρασης προσθήκης μεταξύ ενός νιτριλίου και ενός καρβονιόντος παρουσία πυκνών οξέων.
Φωτολυτική προσθήκη του μεθαναμιδίου σε αλκένια[15] Ακραία αλκένια Μια αντίδραση ομολογοποίησης ελεύθερης ρίζας μεταξύ ενός ακραίου αλκενίου και φορμαμιδίου.
Αμινόλυση εστέρων[16][17][18] Εστέρες Αντίδραση καταλυόμενη από βάση, των εστέρων με διάφορες αμίνες για να σχηματίσουν αλκοόλες και αμίδια.

Άλλες μέθοδοι

Η φαινομενικά απλή άμεση αντίδραση μεταξύ μιας αλκοόλης και μιας αμίνης προς ένα αμίδιο δεν δοκιμάστηκε μέχρι το 2007, όταν ένας ειδικός καταλύτης με βάση το ρουθήνιο αναφέρθηκε να είναι αποτελεσματικός σε μια αποκαλούμενη αφυδρογονωτική ακυλίωση:[19]

Σύνθεση των αμιδίων από αλκοόλες και αμίνες με απελευθέρωση H2

Η δημιουργία αέριου υδρογόνου αντισταθμίζει την μη ευνοϊκή θερμοδυναμική. Η αντίδραση πιστεύεται ότι προχωρά με μια αφυδρογόνωση της αλκοόλης προς αλδεΰδη, ακολουθούμενη από τον σχηματισμό μιας ημιαμινάλης και μετά από μια δεύτερη αφυδρογόνωση προς αμίδιο. Η απόσπαση του νερού στην ημιαμινάλη προς ιμίνη δεν παρατηρείται.

Αντιδράσεις αμιδίων

Τα αμίδια υφίστανται πολλές χημικές αντιδράσεις, συνήθως μέσω μιας προσβολής στο καρβονύλιο που σπάει το διπλό δεσμό του καρβονυλίου και σχηματίζει ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο προϊόν. Οι θειόλες, τα υδροξύλια και οι αμίνες είναι γνωστές στη χρήση τους ως πυρηνόφιλα. Λόγω της σταθεροποίησης μεσομέρειας τους, τα αμίδια είναι λιγότερο δραστικά κάτω από φυσιολογικές συνθήκες από τους εστέρες. Τα ένζυμα, π.χ. οι πεπτιδάσες ή τεχνητοί καταλύτες, είναι γνωστό ότι επιταχύνουν τις αντιδράσεις υδρόλυσης. Μπορούν να υδρολυθούν σε θερμά αλκάλια, καθώς και σε ισχυρές όξινες συνθήκες. Οι όξινες συνθήκες δίνουν καρβοξυλικό οξύ και το ιόν αμμωνίου, ενώ η βασική υδρόλυση δίνει καρβοξυλικό ιόν και αμμωνία. Τα αμίδια είναι επίσης πολύπλευρες πρόδρομες ενώσεις για πολλές άλλες χαρακτηριστικές ομάδες.

Όνομα αντίδρασης Προϊόν Σχόλιο
αφυδάτωση νιτρίλιο αντιδραστήριο: πεντοξείδιο του φωσφόρου; Τριφθοριούχος οξικός ανυδρίτης/πυριδίνη[20]
αναδιάταξη Χόφμαν αμίνη με ένα λιγότερο άτομο άνθρακα αντιδραστήρια: υδροξείδιο του βρωμίου και του νατρίου
αναγωγή αμιδίου αμίνη αντιδραστήριο: λιθιοαργιλιοϋδρίδιο
Αντίδραση Βιλσμάιερ-Χάακ ιμίνη POCl3, αρωματικό υπόστρωμα, φορμαμίδιο

Παραπομπές

  1. ↑ http://www.collinsdictionary.com/dictionary/english/amide
  2. ↑ «amide». The American Heritage Dictionary of the English Language (5th έκδοση). Boston: Houghton Mifflin Harcourt. 
  3. ↑ «Αρχειοθετημένο αντίγραφο». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2 Απριλίου 2015. Ανακτήθηκε στις 19 Μαΐου 2015. 
  4. ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2η εκδ. (το «Χρυσό Βιβλίο») (1997). Online corrected version:  (2006–) "amides".
    doi:10.1351/goldbook.A00266
  5. ↑ 5,0 5,1 Kemnitz, Carl R.; Loewen, Mark J. (2007). «"Amide Resonance" Correlates with a Breadth of C−N Rotation Barriers». Journal of the American Chemical Society 129 (9): 2521–8. doi:10.1021/ja0663024. PMID 17295481. 
  6. ↑ Organic Chemistry IUPAC Gnomenclature. Rules C-821. Amides http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/79/r79_540.htm Αρχειοθετήθηκε 2011-01-21 στο Wayback Machine.
  7. ↑ Boonen, Jente; Bronselaer, Antoon; Nielandt, Joachim; Veryser, Lieselotte; De Tré, Guy; De Spiegeleer, Bart (2012). «Alkamid database: Chemistry, occurrence and functionality of plant N-alkylamides». Journal of Ethnopharmacology 142 (3): 563–90. doi:10.1016/j.jep.2012.05.038. PMID 22659196. 
  8. ↑ Bodroux F. (1905). Bull. Soc. Chim. France 33: 831. 
  9. ↑ «Bodroux reaction». Institute of Chemistry, Skopje, Macedonia. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 24 Σεπτεμβρίου 2015. Ανακτήθηκε στις 19 Μαΐου 2015. 
  10. ↑ Schulenberg, J. W.; Archer, S. (1965). «The Chapman Rearrangement». Org. React. 14. doi:10.1002/0471264180.or014.01. 
  11. ↑ Chapman, Arthur William (1925). «CCLXIX.—Imino-aryl ethers. Part III. The molecular rearrangement of N-phenylbenziminophenyl ether». Journal of the Chemical Society, Transactions 127: 1992. doi:10.1039/CT9252701992. https://archive.org/details/sim_journal-of-the-chemical-society-transactions_1925-09_127/page/1992. 
  12. ↑ March, Jerry. Advanced organic Chemistry, Reactions, mechanisms and structure (3rd έκδοση). ISBN 0-471-85472-7. 
  13. ↑ Leuckart, R. (1885). «Ueber einige Reaktionen der aromatischen Cyanate». Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 18: 873–877. doi:10.1002/cber.188501801182. 
  14. ↑ Adams, Rodger· Krimen, L.I.· Cota, Donald J. (1969). Organic Reaction Volume 17. London: John Wiley & Sons, Inc. σελίδες 213–326. doi:10.1002/0471264180. ISBN 9780471196150. 
  15. ↑ Monson, Richard (1971). Advanced Organic Synthesis: Methods and Techniques (PDF). Newyork: Academic Press. σελ. 141. ISBN 978-0124336803. [νεκρός σύνδεσμος]
  16. ↑ Corson, B. B.; Scott, R. W.; Vose, C. E. (1941). «Cyanoacetamide». Organic Syntheses 1: 179. doi:10.15227/orgsyn.009.0036. 
  17. ↑ Jacobs, W. A. (1941). «Chloroacetamide». Organic Syntheses 1: 153. doi:10.15227/orgsyn.007.0016. 
  18. ↑ Kleinberg, J.; Audrieth, L. F. (1955). «Lactamide». Organic Syntheses 3: 516. doi:10.15227/orgsyn.021.0071. 
  19. ↑ Gunanathan, C.; Ben-David, Y.; Milstein, D. (2007). «Direct Synthesis of Amides from Alcohols and Amines with Liberation of H2». Science 317 (5839): 790–2. doi:10.1126/science.1145295. PMID 17690291. 
  20. ↑ U.S. Patent 5.935.953

Εξωτερικοί σύνδεσμοι