Chemia organiczna Związki zawierające azot Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny
Chemia organiczna
Związki zawierające azot
Zakład Chemii Medycznej
Pomorski Uniwersytet Medyczny
Grupy funkcyjne zawierające azot Grupa funkcyjna Przykład związku
Wzór Nazwa Wzór Nazwa
-NO2 nitrowa CH3NO2 nitrometan
-ONO2 azotanowa CH3ONO2 azotan metylu
-NO nitrozowa C6H5NO nitrozobenzen
-ONO azotynowa CH3ONO azotyn metylu
-NH2 aminowa CH3NH2 metyloamina
=NH iminowa CH3CH=NH etanoimina
-CN cyjanowa CH3CN etanonitryl
-NC izocyjanowa CH3NC izocyjanek metylu
-NCO izocyjanianowa CH3NCO izocyjanian metylu
-NCS izotiocyjanianowa CH3CNCS izotiocyjanian metylu
Grupa funkcyjna Przykład związku
Wzór Nazwa Wzór Nazwa
=NOH hydroksyiminowa CH3CH=NOH oksym etanalu
-NHNH2 hydrazynowa CH3NHNH2 metylohydrazyna
-CONH2 amidowa CH3CONH2 amid kwasu octowego
NH NH
-C amidynowa CH3C acetamidyna
NH2 NH2
-CONHOH hydroksamowa CH3CONHOH kwas aceto-
hydroksamowy
-N3 azydowa CH3N3 azydek metylu
-NHCNH2 CH3NHCNH2
guanidynowa metyloguanidyna
NH NH
Grupy funkcyjne zawierające azot
Grupy funkcyjne zawierające azot
Grupa funkcyjna Przykład związku
Wzór Nazwa Wzór Nazwa
-N=N- CH3N=NCH3
azoksy azoksymetan
O O
-N2 diazowa CH2N2 diazometan
-N2+ diazoniowa C6H5N2
+ kation fenylodiazoniowy
Związki nitrowe - nitrozwiązki
związki nitrowe zbudowane są z grupy nitrowej i połączonym z nią rodnikiem alifatycznym lub aromatycznym
atom azotu występuje w hybrydyzacji sp2 – tworzy trzy wiązania
grupa nitrowa występuje w dwóch strukturach rezonansowych – oba atomy tlenu są równocenne
związki nitrowe są dipolami
oddziaływania między nimi są przyczyną wysokiej temperatury wrzenia
Tautomeria
i kwasowe właściwości nitrozwiązków
Tautomeria – izomeria (konstytucyjna), w której izomery mogą przekształacać się w siebie w reakcjach odwracalnych i istnieją w równowadze ze sobą
Tautomeria – zmiana położenia atomów wodoru Nitrozwiązki w formie tautomerycznej – aci-nitropochodne. W środowisku obojętnym równowaga jest przesunięta w stronę formy
nitrowej W środowisku zasadowym nitrozwiązki tworzą rozpuszczalne w wodzie formy
aci. Zakwaszenie przesuwa równowagę w stronę formy nitro.
forma nitro forma aci forma nitro forma aci
H+
Tautomeria
i kwasowe właściwości nitrozwiązków
Aci-nitropochodne są silniejszymi kwasami niż kwas węglowy rozpuszczają się w w roztworach węglanu sodu z chlorkiem żelaza (III) reagują tak, jak fenole i alkohole
nitrozwiązki w formie nitro nie rozpuszczają się w roztworach
węglanów
warunkiem powstawania form aci jest obecność atomu wodoru w położeniu względem grupy nitrowej
(przeniesienie atomu wodoru z atomu węgla do atomu tlenu)
forma nitro forma aci
Tautomeria
i kwasowe właściwości nitrozwiązków
Aci-nitrozwiązki samorzutnie przechodzą w formę nitro. Trwałość form aci uniemożliwia ich wyodrębnienie Wyjątek, m.in.: fenylonitrometan; trwały przez kilka godzin
NaOH H+ szybko wolno NaOH szybko
fenylonitrometan fenylonitrometan forma nitro ciecz forma aci – ciało stałe t.wrz. 226oC t.top. 84oC
bardzo wolno
Nitrozwiązki - redukacja
redukcji ulegają nitroalkany i związki aromatyczne
reakcja katalityczna wodór na katalizatorach metale: żelazo, cynk, cyna
przebiega w trzech reakcjach następczych
końcowym produktem są aminy 2e, 2H+ 2e, 2H+ 2e, 2H+
C6H5NO2 C6H5NO C6H5NHOH C6H5NH2 -H2O -H2O nitrobenzen nitrozobenzen fenylohydro- anilina ksyloamina
Nitrozwiązki - synteza
nitrowanie – reakcje substratów organicznych z kwasem azotowym, prowadzące do zastąpienia atomów wodoru z wiązań C-H przez grupy nitrowe
nitrowanie pierścieni aromatycznych – reakcja podstawienia elektrofilowego, w której elektrofilem jest jon nitroniowy NO2
+ HNO3 + 2 H2SO4 NO2
+ + H3O+ + 2 HSO4
-
otrzymywanie z halogenoalkanów
R-X + O=N-O- R-O-NO + X- reakcja przy atomie tlenu –
estry kwasu azotowego (azotany)
R-X + O=N-O- R-NO2 + X- reakcja przy atomie azotu - nitroalkany
NO2 NO
2
NO2
+ HNO3
H2SO4
-H2O
HNO3
H2SO4+H2O
Aminy
Aminy - organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru został zastąpiony resztami organicznymi
atom azotu w aminach ma hybrydyzację sp3,
trzy orbitale tworzą trzy wiązania σ z atomami wodoru lub/i atomami węgla grup R na czwartym orbitalu znajduje się wolna para elektronowa.
W trimetyloaminie kąt między wiązaniami C-N-C wynosi 108o, jest więc zbliżony do kąta tetraedrycznego bardziej niż w amoniaku. Długość wiązania C−N osiąga 1,47 Å
amoniak trimetyloamina amoniak
Aminy
Konsekwencją tetraedrycznej budowy amin 3o jest ich chiralność: trzy różne podstawniki
związane z atomem azotu czwartym podstawnikiem jest
wolna para elektronowa
niska bariera energetyczna (25 kJ/mol) przejścia jednego enancjomeru w drugi uniemożliwia ich rozdzielenie.
stanem pośrednim pomiędzy jedną, a drugą formą enancjomeryczną jest płaski atom azotu o hybrydyzacji sp2
trwałe są enancjomery 4o soli amoniowych
Aminy - nomenklatura
1-aminobutan 1-metyloaminopropan
2-amino-2-metylopropan dimetyloaminoetan
butanoamina N-metylopropanoamian
2-metylo-2-propanoamina N,N-dimetyloetanoamina
n-butyloamina tert-butyloamina metylopropyloamina
etylodietyloamina
IUPAC – grupa aminowa jest przyłączona do grupy alkilowej
CA – aminy Io – przyrostek amina; wyższe rzędy – prefiks N- przed przyłączonymi do grupy aminowej podstawnikami
nomenklatura zwyczajowa – podstawniki alkilowa (w kolejności alfabetycznej) + sufix amina
Aminy - występowanie
ornityna putrescyna kadaweryna (z ornityny) (z lizyny)
tyramina histamina tryptamina (z tyrozyny) (z histydyny) (z tryptofanu)
Aminy biogenne powstają w wyniku dekarboksylacji aminokwasów. bardzo toksyczne substancje o silnym działaniu fizjologicznym (na ogół) nieprzyjemny zapach powstają w procesie rozkładu mięsa
Alkaloidy
kilkunaście tysięcy związków: pochodzenia głównie roślinnego rzadziej zwierzęcego alkaloidy syntetyczne
zawierają zasadowy atom azotu, najczęściej w postaci pierścienia heterocyklicznego
alkaloidy z alifatyczną grupą aminową - protoalkaloidy (pseudoalkaloidy)
w produktach naturalnych alkaloidy i większość innych amin występują w postaci soli
wykazują silnie działanie fizjologiczne stymulujące narkotyczne silnie toksyczne
do alkaloidów nie są zaliczane aminokwasy, peptydy, białka i proste aminy alifatyczne nawet, jeżeli posiadają ich właściwości
Alkaloidy
kofeina teofilina teobromina
efedryna meskalina koniina rycynina nikotyna kokaina
chinina morfina johimbina strychnina
Aminy cykliczne – aminy naturalne
koniina serotonina kofeina nikotyna muskaryna trucizna neuroprzekaźnik atropina tiamina morfina chinina witamina B1
piperydyna indol pirolidyna imidazol pirydyna pirymidyna piperydyna piperydyna pirolidyna
chinolina pirydyna
Aminy - otrzymywanie
reakcje alkilowania – podstawienia nukleofilowego halogenków alkilowych amoniakiem wzrost nukleofilowości amin w wyniku dołączania kolejnych grup
alkilowych - efekt +I.
reakcja nie zatrzymuje się na aminach 1o, ale biegnie dalej do amin 2o, 3o i 4o sole amoniowe.
powstaje trudna do rozdzielenia mieszanina produktów
reakcje alkilowania – podstawienia nukleofilowego halogenków alkilowych amoniakiem wzrost nukleofilowości amin w wyniku dołączania kolejnych grup alkilowych - efekt
+I. reakcja nie zatrzymuje się na aminach 1o, ale biegnie dalej do amin 2o, 3o i 4o
sole amoniowe. powstaje trudna do rozdzielenia mieszanina produktów
amoniak chlorek metylu chlorek metyloamina metyloamoniowy (amina 1o) chlorek metylu chlorek dimetyloamina dimetyloamoniowy (amina 2o) dietyloamina chlorek metylu chlorek trimetyloamina trimetyloamoniowy (amina 3o)
trimetyloamina chlorek metylu chlorek tetrametyloamoniowy (4o sól amoniowa)
Aminy - otrzymywanie
synteza Gabriela - alkilowanie ftalimidku potasu ftalimid
otrzymuje się w reakcji bezwodnika ftalowego i amoniaku
zawiera jeden atom wodoru przy atomie azotu - znacznie kwaśniejszy niż w aminach, a więc bardziej podatny na alkilowanie
hydroliza lub hydrazynoliza N-alkiloftalimidu prowadzi do czystej aminy 1o
bezwodnik ftalimid ftalimidek N-(2-fenyloetylo)ftalimid fenyloetyloamina ftalowy potasu
ftalazyna
Aminy - otrzymywanie
redukcyjne aminowanie
aldehydy i ketony redukowane katalitycznie wodorem w obecności amoniaku, amin 1o lub 2o ulegają przekształceniu w odpowiednie aminy.
pośrednio tworzą się iminy, które znacznie łatwiej ulegają redukcji katalitycznej niż związki karbonylowe.
użycie w reakcji amin 1o lub amin 2o prowadzi odpowiednio do amin 2o lub amin 3o
w redukcyjnym aminowaniu otrzymuje się aminy o jeden rząd wyższe w porównaniu do rzędowości aminy użytej w reakcji
związek imina amina Io karboksylowy
związek amina 1o imina karbonylowy amina 2o
Aminy –
otrzymywanie przez redukcyjne aminowanie
w redukcyjnym aminowaniu otrzymuje się aminy o jeden rząd wyższe w porównaniu do rzędowości aminy użytej w reakcji
amina Io amina IIo amina IIIo
Aminy –
otrzymywanie przez redukcyjne aminowanie
benzaldehyd benzyloamina
1-fenylopropan-2-on amfetamina
cyklo- dietyloamina N,N-dimetylo- heksanon cykloheksyloamina
Aminy - otrzymywanie
redukcyjne aminowanie
z alkoholi, w zależności od wybranej metody, można otrzymać różne
aminy:
o takiej samej długości
łańcucha węglowego,
skróconym
wydłużonym łańcuchu
Aminy - otrzymywanie W przegrupowaniu Hofmanna amidy są przeprowadzane w aminy 1o,
zawierające jeden atom węgla mniej niż związki wyjściowe.
Amidy przekształcenie w izocyjaniny - pod wpływem bromu w zasadowym środowisku hydroliza do amin z wydzieleniem CO2
amid amina Io
ftalimid monoamid kwas ftalowy kwasu ftalowego
Aminy - otrzymywanie W przegrupowaniu Curtiusa azydki są przeprowadzane w aminy Io, zawierające
jeden atom węgla mniej niż związki wyjściowe otrzymanie azydków acylowych z chlorków kwasowych pod działaniem azydku
sodu
w podwyższonej temperaturze reszta organiczna -R w azydkach acylowych przegrupowuje się z C→N
powstają izocyjaniany alkilowe
rozkładają się do amin Io wydzielając CO2
chlorek acylu azydek acylu izocyjanian alkilu amina 1o
Właściwości amin
Aminy są zasadami
aminy alifatyczne - silniejsze zasady niż amoniak
aminy aromatyczne – słabsze zasady niż amoniaku
przy atomie azotu obecna
jest protonoakceptorowa wolna para elektronowa
reakcja amin z kwasami: przyłączenie protonu do wolnej
pary elektronów powstają sole amoniowe
zasada kwas sól Lewisa amoniowa
zasada kwas kation Lewisa (woda) amoniowy amina
Zasadowość amin
aminy alifatyczne są kilkanaście razy silniejszymi zasadami niż amoniak
efekt indukcyjny +I reszt alifatycznych – przyczyna wzrostu zasadowości amin alifatycznych w stosunku do NH3
zwiększenie liczby reszt alifatycznych w aminach 2o i 3o ma niewielki wpływ na moc amin. wrasta efekt indukcyjny zwiększa się hydrofobowość cząsteczki, przez co tworzący się kation
amoniowy jest trudniej solwatowany przez cząsteczki wody.
Zasadowość amin
aminy aromatyczne efekty mezomeryczny -M i indukcyjny -I pierścienia
fenylowego 1. zmniejszają ładunek ujemny przy atomie azotu, 2. zmniejsza się jego powinowactwo do protonu 3. aminy stają się mniej zasadowe
Zasadowość amin aromatycznych
podstawniki zwiększające efekt elektronoakceptorowy obniżają zasadowość
podstawniki elektronodonowe zwiększają
zasadowość
Nukleofilowość amin – konsekwencja obecności
wolnej pary elektronów przy atomie azotu
Alkilowanie (m.in. metoda otrzymywania amin z amoniaku) aminy pod wpływem odczynników alkilujących zwiększają
rzędowość aminy 1o przechodzą w aminy 2o aminy 2o w aminy 3o aminy 3o w 4o sole amoniowe.
praktyczne znaczenie ma alkilowanie amin aromatycznych do 3o – N,N-dialkiloaryloamin i otrzymywanie 4o soli amoniowych
Nukleofilowość amin – konsekwencja obecności
wolnej pary elektronów przy atomie azotu
Arylowanie
czynnik arylujący: fluoroareny uaktywnione podstawnikami elektronoakceptorowymi (:B), związanymi z pierścieniem aromatycznym w pozycjach orto- lub/i para-
2,4-dinitrofluorobenzen - odczynnikiem do arylowania amin, w tym aminokwasów (także białkowych)
amina 2,4-dinitro- 2,4-dinitro- fluorobenzen fenyloamina
Nukleofilowość amin – konsekwencja obecności
wolnej pary elektronów przy atomie azotu
Acylowanie aminy pod wpływem:
halogenków acylowych bezwodników kwasowych aktywnych estrów
ulegają acylowaniu; powstają amidy, pochodne amin pozbawione właściwości zasadowych i
nukleofilowych
odczynnik amina amid acylujący
Y: -F, -Cl, -Br i -I w halogenkach kwasowych;
-OCOR w bezwodnikach kwasowych -OR i -OAr w estrach aktywnych
Reaktywność amin
Grupy -NH2, -NHR i -NR2, (podobnie jak -OR i –OH) należą do grup trudnoodchodzących
aminy 1o, 2o i 3o są związkami trwałymi.
nie ulegają termicznemu rozkładowi do alkenów
4o wodorotlenki amoniowe
są nietrwałe w podwyższonej temperaturze,
rozkładają się do alkenu i
z wydzieleniem 3o aminy – reakcja Hofmana
Reakcja eliminacji Hoffmana
oderwanie przez zasadę protonu z atomu węgla sąsiadującego z grupą aminową
odszczepienie kationu trialkiloamoniowego. reakcja zachodzi jedynie w środowisku zasadowym
do eliminacji Hofmanna dochodzi dopiero po przekształceniu 4o soli amoniowej w 4o wodorotlenek amoniowy
trimetyloamina heks-1-en
heksyloamina jodek N,N,N trimetyloheksyloamoniowy
4o sól amoniowa 4o wodorotlenek amoniowy
alken
Reakcje amin z kwasem azotowym (III) Aminy alifatyczne 1o pod wpływem kwasu azotawego ulegają przemianie, powstaje
mieszanina związków składająca się z:
alkenu,
alkoholu
innych produktów podstawienia;
wszystkie zawierają ten sam szkielet węglowy co amina
Reakcje amin z kwasem azotowym (III)
utworzenie kationu nitrozoniowego: +NO
kation nitrozoniowy w reakcji z aminą tworzy sól diazoniową alifatyczne soli diazoniowe są nietrwałe, szybko ulegają rozkładowi do karbokationu.
Reakcje amin z kwasem azotowym (III)
karbokation stabilizując się odszczepia proton i powstaje alken:
lub przyłącza nukleofil znajdujący się w środowisku reakcji, np. cząsteczkę wody, anion Cl-,. tworząc odpowiednią pochodną:
Aminy aromatyczne
słabsze zasady i nukleofile niż aminy alifatyczne
reszta arylowa poprzez efekt -M i -I osłabia właściwości zasadowe i nukleofilowe (efekt obecności wolnej pary elektronów na atomie azotu)
grupa aminowa modyfikuje właściwości pierścienia aromatycznego czyniąc go bardziej aktywnym w reakcjach SE reakcja bromowania aniliny – równoczesne podstawienie wszystkich
możliwych miejsc - powstaje tribromoanilina (100%)
Aminy aromatyczne
wpływ grupy aminowej na reakcje SE w pierścieniu obniżamy blokując acylowaniem grupę –NH2
Aminy aromatyczne -
acylowanie w reakcji Friedela-Craftsa
aminy aromatyczne można acylować w reakcji Friedela-
Craftsa po uprzednim zacylowaniu grupy aminowej
Aminy aromatyczne -
acylowanie w reakcji Friedela-Craftsa
Otrzymywanie sulfonamidów – leków przeciwbakteryjnych
zamiast halogengów acylowych - kwas chlorosulfonowy
amonoliza