Karboxamid

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Všeobecná štruktúra amidu
Formamid, najjednoduchší amid
Asparagín, aminokyselina s bočným reťazcom (zvýrazneným) obsahujúcim amidovú skupinu

Amid[1] alebo karboxamid[1] je zlúčenina so všeobecným vzorcom RC(=O)NR'R", kde R, R' a R" predstavujú organické skupiny alebo atómy vodíka.[2][3] Amidová skupina sa nazýva peptidovou väzbou, ak je súčasťou hlavného reťazca proteínu, a izopeptidovou väzbou, keď je tvorená väzbou v bočnom reťazci, ako napríklad v aminokyselinách asparagín a glutamín. Amidy možno považovať za funkčné deriváty karboxylových kyselín, RC(=O)OH, u ktorých je hydroxylová skupina –OH nahradená amínovou skupinou −NR′R″. Ekvivalentne sa dá popísať ako acylová (alkánoylová) skupina RC(=O)- pripojená k amínovej skupine. Jadro −C(=O)N= amidov sa nazýva amidová skupina (konkrétne karboxamidová skupina).

Amidy sa označujú ako primárne, sekundárne alebo terciárne podľa toho, koľko vodíkov je na viazaných na amínovej podskupine. Primárne amidy majú tvar -NH2, sekundárne -NHR a terciárne -NRR', kde R a R' sú skupiny iné ako vodík.

Medzi bežné príklady amidov patria acetamid H3C-CONH2, benzamid C6H5-CONH2 a dimetylformamid HCON(CH3)2. Amidy sú všadeprítomné v prírode i technológii. Proteíny a dôležité plasty ako nylony, aramid, twaron a kevlarpolyméry, ktorých jednotky sú spojené amidovými skupinami (sú to teda polyamidy). Tieto väzby sa ľahko vytvárajú, dodávajú štrukturálnu tuhosť a odolávajú hydrolýze. Amidy zahŕňajú mnoho ďalších dôležitých biologických zlúčenín, ako sú mnohé lieky, napríklad paracetamol a penicilín, či omamné látky, napríklad LSD.[4] Nízkomolekulárne amidy, ako je dimetylformamid, sú bežné rozpúšťadlá.

Názvoslovie[upraviť | upraviť zdroj]

Bližšie informácie v hlavnom článku: Názvoslovie organických zlúčenín

V obvyklom názvosloví sa pridáva výraz „amid“ ku kmeňu názvu materskej kyseliny. Napríklad amid odvodený od kyseliny octovej sa nazýva acetamid (acetyl + amid, CH3CONH2). IUPAC odporúča názov etánamid, ale tento a ďalšie súvisiace formálne názvy sa vyskytujú zriedkavo. Keď je amid odvodený od primárneho alebo sekundárneho amínu, substituenty na dusíku sú uvedené v názve ako prvé. To znamená, že amid vytvorený z dimetylamínu a kyseliny octovej sa nazýva N,N-dimetylacetamid (CH3CONMe2, kde Me = CH3). „N,N“ naznačuje, že obe metylové skupiny sú viazané na dusík amidovej skupiny. Tento názov sa zvyčajne zjednodušuje na dimetylacetamid.

Ak je v zlúčenine skupina s vyššou prioritou, je možné použiť predponu karbamoyl-, ako je to v prípade karbamoylfosfátu.

Cyklické amidy sa nazývajú laktámy a vždy sú to sekundárne alebo terciárne amidy.[5]

Vlastnosti[upraviť | upraviť zdroj]

Väzba[upraviť | upraviť zdroj]

3D model molekuly formamidu zobrazujúci π molekulové orbitály (sivá).

Voľný elektrónový pár na atóme dusíka je delokalizovaný na karbonylovú skupinu, čím sa vytvorí čiastočná dvojitá väzba medzi dusíkom a uhlíkom. V skutočnosti majú atómy O, C a N molekulové orbitály obsadené delokalizovanými elektrónmi, ktoré tvoria konjugovaný systém. V dôsledku toho nie sú väzby dusíka v amidoch tetraédrické (ako v amínoch), ale planárne. Toto obmedzenie bráni rotácii okolo C-N väzby a má teda dôležité dôsledky na mechanické vlastnosti týchto látok, ako aj na konfiguračné vlastnosti makromolekúl vytvorených takýmito väzbami. Neschopnosť rotácie odlišuje amidové skupiny od esterových skupín, ktoré umožňujú rotáciu a tým vytvárajú flexibilnejšie zlúčeniny.

Štruktúru amidu možno opísať aj ako rezonanciu medzi dvoma alternatívnymi štruktúrami:

AmideResonance.png

Odhaduje sa, že v prípade acetamidu má štruktúra A podiel na celkovej štruktúre až 62 %, zatiaľ čo štruktúra B predstavuje 28 %. (Súčet týchto čísel nie je 100 %, pretože existujú aj ďalšie menej dôležité rezonančné štruktúry, ktoré nie sú znázornené na obrázku vyššie). Medzi atómami vodíka a dusíka rôznych molekúl je tiež prítomná vodíková väzba.[6] Vo veľmi stéricky napätom chinuklidóne sa rezonancii do značnej miery zabráni.

Zásaditosť[upraviť | upraviť zdroj]

V porovnaní s amínmi sú amidy veľmi slabé zásady. Zatiaľ čo konjugovaná kyselina amínupKa asi 9,5, konjugovaná kyselina amidu má pKa okolo -0,5. Amidy preto nemajú tak zreteľne viditeľné acidobázické vlastnosti vo vode. Tento relatívny nedostatok zásaditosti sa vysvetľuje odoberaním elektrónov z amínu karbonylovou skupinou. Na druhej strane, amidy sú oveľa silnejšie zásady ako karboxylové kyseliny, estery, aldehydy a ketóny (pKa ich konjugovaných kyselín sú medzi -6 a -10).

Protón primárneho alebo sekundárneho amidu sa za normálnych podmienok nedisociuje ľahko, jeho pKa je zvyčajne vysoko nad 15. Naopak, v extrémne kyslých podmienkach môže byť karbonylový kyslík protónovaný s pKa približne -1. Nie je to len kvôli kladnému náboju dusíka, ale aj zápornému náboju kyslíka získanému rezonanciou.

Vodíková väzba a rozpustnosť[upraviť | upraviť zdroj]

Kvôli väčšej elektronegativite kyslíka je karbonyl (C=O) silnejší dipól ako N–C dipól. Prítomnosť dipólu C=O a v menšej miere dipólu N–C umožňuje amidom pôsobiť ako akceptory vodíkových väzieb. V primárnych a sekundárnych amidoch umožňuje amidom prítomnosť N-H dipólov fungovať aj ako donory vodíkovej väzby. Amidy sa teda môžu podieľať na vodíkových väzbách s vodou a inými protickými rozpúšťadlami. Atóm kyslíka môže prijímať vodíkové väzby z vody (alebo iného protického rozpúšťadla) a atómy vodíka N-H môžu poskytovať vodíkové väzby. V dôsledku týchto interakcií je rozpustnosť amidov vo vode väčšia ako rozpustnosť odpovedajúcich uhľovodíkov. Tieto vodíkové väzby majú tiež dôležitú úlohu v sekundárnej štruktúre proteínov.

Rozpustnosti amidov a esterov sú zhruba porovnateľné. Typicky sú amidy menej rozpustné ako porovnateľné amíny a karboxylové kyseliny, pretože tieto zlúčeniny môžu darovať aj prijímať vodíkové väzby. Terciárne amidy majú nízku rozpustnosť vo vode, s dôležitou výnimkou N,N-dimetylformamidu.

Charakterizácia[upraviť | upraviť zdroj]

Prítomnosť amidovej skupiny –C(=O)N= je vo všeobecnosti ľahké stanoviť, aspoň v malých molekulách. V IČ spektrách sa dá táto skupina odlíšiť od nitro a kyanoskupín. Amidy vykazujú stredne intenzívny pás vCO blízko 1650 cm-1. Pri 1H NMR spektroskopii vznikajú CONHR signály pri slabých poliach. V röntgenovej kryštalografii definujú C(=O)N centrum a tri bezprostredne susediacie atómy rovinu.

Reaktivita[upraviť | upraviť zdroj]

Mechanizmus kyslej hydrolýzy amidu.[7]

Amidy podliehajú mnohým chemickým reakciám, aj keď sú menej reaktívne ako estery. Amidy hydrolyzujú v horúcich alkalických zásadách, ako aj v silne kyslých podmienkach. Kyslé podmienky poskytujú karboxylovú kyselinu a amónny ión, zatiaľ čo zásaditá hydrolýza poskytuje karboxylátový ión a amoniak. Protonizácia vznikajúceho amínu za kyslých podmienok a deprotonácia vznikajúcej karboxylovej kyseliny za zásaditých podmienok robí tieto procesy nekatalytickými a nevratnými. Amidy sú tiež všestrannými prekurzormi mnohých ďalších funkčných skupín. Elektrofily reagujú s karbonylovým kyslíkom. Tento krok často predchádza hydrolýze, ktorá je katalyzovaná Bronstedovými aj Lewisovými kyselinami. Je známe, že enzýmy (napr. peptidázy) a umelé katalyzátory urýchľujú hydrolytické reakcie.

Názov reakcie Produkt Poznámka
Dehydratácia Nitril Činidlo: oxid fosforečný; benzénsulfonylchlorid; TFAA/py[8]
Hofmannov prešmyk Amín s jedným atómom uhlíka menej Činidlá: bróm a hydroxid sodný
Redukcia amidov Amín Činidlo: lítiumalumíniumhydrid s následnou hydrolýzou
Vilsmeier-Haackova reakcia Aldehyd (cez imín) POCl3, aromatický substrát, formamid
Bischler-Napieralského reakcia Cyklický imín POCl3, SOCl2, atď.

Syntéza[upraviť | upraviť zdroj]

Existuje mnoho metód syntézy amidov.[9]

Amidy sa môžu pripraviť reakciou karboxylovej kyseliny s amínom. Priama reakcia vo všeobecnosti vyžaduje vysoké teploty na vytlačenie vody:

RCO2H + R′R″NH → R′R″NH2+RCO2-
R′R″NH2+RCO2- → RC(O)NR′R″ + H2O

Mnohé metódy zahŕňajú „aktiváciu“ karboxylovej kyseliny jej premenou na lepší elektrofil, napríklad ester, acylchlorid (Schotten-Baumannova reakcia) alebo anhydrid (Lumière-Barbierova metóda). Konvenčné metódy syntézy peptidov využívajú kopulačné činidlá, ako sú HATU, HOBt alebo PyBOP.[10] Pre špecializované aplikácie boli vyvinuté rôzne činidlá, napr tris(2,2,2-trifluóretyl)boritan.[11][12]

Názov reakcie Substrát Podrobnosti
Nukleofilná acylová substitúcia Acylchlorid alebo anhydrid kyseliny Činidlo: amoniak alebo amíny
Beckmannov prešmyk Cyklický ketón Činidlo: hydroxylamín a kyselina
Schmidtova reakcia Ketóny Činidlo: kyselina azidovodíková
Hydrolýza nitrilu[13] Nitril Činidlo: voda; kyslý katalyzátor
Willgerodt-Kindlerova reakcia Arylalkylketóny Síra a morfolín
Passeriniho reakcia Karboxylová kyselina, ketón alebo aldehyd
Ugiho reakcia Izokyanid, karboxylová kyselina, ketón, primárny amín
Bodrouxova reakcia[14][15] Karboxylová kyselina, Grignardovo činidlo s anilínovým derivátom ArNHR'
Chapmanov prešmyk[16][17] Aryl iminoéter Pre N,N-diarylamidy. Reakčný mechanizmus je založený na nukleofilnej aromatickej substitúcii.[18]
Chapman rearrangement.svg
Leuckartova syntéza amidov[19] Izokyanát Reakcia arénu s izokyanátom katalyzovaná chloridom hlinitým, tvorba aromatického amidu.
Ritterova reakcia[20] Alkény, alkoholy alebo iné zdroje karbóniových iónov Vznik sekundárnych amidov prostredníctvom adičnej reakcie medzi nitrilom a karbóniovým iónom v prítomnosti koncentrovaných kyselín.
Fotolytická adícia formamidu na olefíny[21] Koncové alkény Reakcia homologizácie voľných radikálov medzi terminálnym alkénom a formamidom.
Aminolýza esterov[22][23][24] Estery Bázicky katalyzovaná reakcia esterov s rôznymi amínmi za vzniku alkoholov a amidov.

Iné metódy[upraviť | upraviť zdroj]

Dehydrogenatívna acylácia amínov je katalyzovaná organoruténiovými zlúčeninami:[25]

DehydrogenativeAmidation.svg

Reakcia prebieha jednou dehydrogenáciou alkoholu na aldehyd, po ktorej nasleduje tvorba hemiaminálu, ktorý podlieha druhej dehydrogenácii za vzniku amidu. Eliminácia vody v hemiamináli na imín nie je pozorovaná.

Transamidácia je zvyčajne veľmi pomalá, ale urýchľuje sa Lewisovou kyselinou[26] a organokovovými katalyzátormi:[27]

RC(O)NR'2 + HNR"2 → RC(O)NR"2 + HNR'2

Primárne amidy (RC(O)NH2) sú pre túto reakciu vhodnejšie.

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. a b PUTALA, Martin; SALIŠOVÁ, Marta; VENCEL, Tomáš. Názvoslovie organických zlúčenín [online]. Univerzita Komenského v Bratislave, Prírodovedecká fakulta, Katedra organickej chémie, 2015, [cit. 2022-01-22]. Dostupné online.
  2. Nomenclature of Organic Compounds: Principles and Practice. Zväzok 126. WASHINGTON, D. C. : AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, 1974-06-01. (Advances in Chemistry.) DOI: 10.1021/ba-1974-0126. Dostupné online. ISBN 978-0-8412-0191-0. DOI:10.1021/ba-1974-0126.ch021 (po anglicky)
  3. Nomenclature of Organic Compounds. [s.l.] : Washington, American Chemical Society, 1974. ISBN 9780841201910. DOI:10.1021/ba-1974-0126.ch021 Chapter 21: Amides and Imides, s. 166–173.
  4. BOONEN, Jente; BRONSELAER, Antoon; NIELANDT, Joachim. Alkamid database: Chemistry, occurrence and functionality of plant N-alkylamides. Journal of Ethnopharmacology, 2012-08, roč. 142, čís. 3, s. 563–590. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. DOI10.1016/j.jep.2012.05.038. (po anglicky)
  5. Organic Chemistry IUPAC Nomenclature. Rules C-821. Amides http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/79/r79_540.htm Archived 21 január 2011 at the Wayback Machine
  6. KEMNITZ, Carl R.; LOEWEN, Mark J.. “Amide Resonance” Correlates with a Breadth of C−N Rotation Barriers. Journal of the American Chemical Society, 2007-03-01, roč. 129, čís. 9, s. 2521–2528. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0002-7863. DOI10.1021/ja0663024. (po anglicky)
  7. SMITH, Michael, October 17-. March's advanced organic chemistry : reactions, mechanisms, and structure.. Hoboken, N.J. : Wiley-Interscience, 2007. (6th ed..) Dostupné online. ISBN 0-471-72091-7.
  8. Patent v USA 5935953
  9. MONTALBETTI, Christian A.G.N.; FALQUE, Virginie. Amide bond formation and peptide coupling. Tetrahedron, 2005-11, roč. 61, čís. 46, s. 10827–10852. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. DOI10.1016/j.tet.2005.08.031. (po anglicky)
  10. VALEUR, Eric; BRADLEY, Mark. Amide bond formation: beyond the myth of coupling reagents. Chemical Society Reviews, 2009-01-26, roč. 38, čís. 2, s. 606–631. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 1460-4744. DOI10.1039/B701677H. (po anglicky)
  11. Tris(2,2,2-trifluoroethyl) borate [online]. www.sigmaaldrich.com, [cit. 2016-09-22]. Dostupné online.
  12. SABATINI, Marco T.; BOULTON, Lee T.; SHEPPARD, Tom D.. Borate esters: Simple catalysts for the sustainable synthesis of complex amides. Science Advances, 2017-09. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. DOI10.1126/sciadv.1701028. (EN)
  13. PHENYLACETAMIDE. Organic Syntheses, 1952, roč. 32, s. 92. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0078-6209. DOI10.15227/orgsyn.032.0092. (po anglicky)
  14. Bodroux F.. none. Bull. Soc. Chim. France, 1905, s. 831.
  15. Bodroux reaction [online]. Institute of Chemistry, Skopje, Macedonia. Dostupné online.
  16. SCHULENBERG, J. W.; ARCHER, S.. The Chapman Rearrangement. [s.l.] : John Wiley & Sons, Ltd, 2011. DOI: 10.1002/0471264180.or014.01. Dostupné online. ISBN 978-0-471-26418-7. DOI:10.1002/0471264180.or014.01 S. 1–51. (po anglicky)
  17. CHAPMAN, Arthur William. CCLXIX.—Imino-aryl ethers. Part III. The molecular rearrangement of N-phenylbenziminophenyl ether. Journal of the Chemical Society, Transactions, 1925-01-01, roč. 127, čís. 0, s. 1992–1998. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0368-1645. DOI10.1039/CT9252701992. (po anglicky)
  18. MARCH, Jerry. Advanced organic chemistry : reactions, mechanisms, and structure. New York : Wiley, 1985. (3rd ed.) Dostupné online. ISBN 0-471-88841-9.
  19. LEUCKART, R.. Ueber einige Reaktionen der aromatischen Cyanate. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1885, roč. 18, čís. 1, s. 873–877. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 1099-0682. DOI10.1002/cber.188501801182. (po anglicky)
  20. Organic Reactions. [s.l.] : Wiley, 2004-04-15. (1.) DOI: 10.1002/0471264180. Dostupné online. ISBN 978-0-471-26418-7. DOI:10.1002/0471264180 S. 213–326. (po anglicky)
  21. MONSON, Richard. Advanced Organic Synthesis: Methods and Techniques. New York : Academic Press, 1971. Dostupné online. ISBN 978-0124336803. S. 141.
  22. CYANOACETAMIDE. Organic Syntheses, 1929, roč. 9, s. 36. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0078-6209. DOI10.15227/orgsyn.009.0036. (po anglicky)
  23. CHLOROACETAMIDE. Organic Syntheses, 1927, roč. 7, s. 16. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0078-6209. DOI10.15227/orgsyn.007.0016. (po anglicky)
  24. LACTAMIDE. Organic Syntheses, 1941, roč. 21, s. 71. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0078-6209. DOI10.15227/orgsyn.021.0071. (po anglicky)
  25. GUNANATHAN, Chidambaram; BEN-DAVID, Yehoshoa; MILSTEIN, David. Direct Synthesis of Amides from Alcohols and Amines with Liberation of H2. Science, 2007-08-10. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. DOI10.1126/science.1145295. (EN)
  26. DINEEN, Thomas A.; ZAJAC, Matthew A.; MYERS, Andrew G.. Efficient Transamidation of Primary Carboxamides by in Situ Activation with N,N-Dialkylformamide Dimethyl Acetals. Journal of the American Chemical Society, 2006-12-01, roč. 128, čís. 50, s. 16406–16409. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 0002-7863. DOI10.1021/ja066728i.
  27. BAKER, Emma L.; YAMANO, Michael M.; ZHOU, Yujing. A two-step approach to achieve secondary amide transamidation enabled by nickel catalysis. Nature Communications, 2016-05-20, roč. 7, čís. 1, s. 11554. Dostupné online [cit. 2022-01-22]. ISSN 2041-1723. DOI10.1038/ncomms11554. (po anglicky)

Zdroj[upraviť | upraviť zdroj]

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Amide na anglickej Wikipédii.