Тема 4. Азотвмісні з'єднання
З'єднання вуглеводнів, у яких один або кілька атомів водню заміщені нітрогрупою, носять загальна назва нітросполук. Структурні формули нітросполук правильніше зображати з Семиполярний зв'язком між азотом і одним з атомів кисню, оскільки на зовнішній оболонці азоту не може перебувати більше 8 електронів:
Насправді, звичайно, обидва атоми кисню утворюють рівноцінні зв'язку з азотом і несуть приблизно половину негативного заряду електрона кожен. Зв'язок при цьому має не простий і не подвійний характер, а проміжне між ними стан.
Нітрогрупа проявляє два електроноакцепторних ефекту - індуктивний (-I) і мезомерний (-М). При підкисленні нітросполук досить швидко встановлюється рівновага з аці -нітро - формою нитросоединения. Це перетворення носить назву аці-нітро-таутомерія:
4.1.1. номенклатура нітросполук
Нітросполуки називають як похідні алканів і аренів, перераховуючи нітрогрупу серед заступників. Порядок перерахування серед інших заступників (якщо такі є) наступний: галоген-нітро-алкіл.
У виноску Семиполярний
Семиполярний зв'язок - комбінація зв'язків між атомами, коли поряд з ковалентним s- зв'язком два атома одночасно пов'язані також іонним зв'язком.
4.1.2. Хімічні властивості нітросполук
1. Кислотні властивості нітроалканів
Атоми водню при вуглеці, сусідить з нітрогрупи, відрізняються підвищеною рухливістю (кислотністю), тому нитросоединения легко розчиняються в розчинах лугів. Стабілізації аниона (отже, і його утворення) сприяє нітрогрупа, відтягуючи негативний заряд на себе:
2. Взаємодія з азотистої кислотою
Вторинні нитросоединения реагують з азотистої кислотою з утворенням нітрозонітросоедіненій (псевдонітролов):
Первинні нитросоединения при реакції з азотистої кислотою утворюють нітрозонітросоедіненія, які ізомеризуються, перетворюючись в слабку алкілнітроловую кислоту:
3. Реакції конденсації
У слабощелочной середовищі нитросоединения алифатического (насиченого) ряду вступають в реакції конденсації з альдегідами і кетонами. Нітрометан, наприклад, конденсується з формальдегідом:
Конденсація з іншими альдегідами і кетонами подібна альдольно-кротонової конденсації.
4. Гідроліз нітросполук
Первинні нитросоединения під дією концентрованих кислот гідролізуються з утворенням карбонових кислот і гідроксиламіну (реакція Бамбергера) за наступною схемою:
Ця реакція використовується для отримання гидроксиламина в промисловості (з 1,2-дінітроетана, Урбанський).
Вторинні нитросоединения при нагріванні в водному розчині з кислотами перетворюються в карбонільні сполуки:
4.1.3. отримання нітросполук
Отримання нітросполук було досить детально описано в розділах «Алкани» і «Ароматичні сполуки».
У виноску альдольно-кротонової конденсації
Альдольно-кротонова конденсація - конденсація аліфатичних альдегідів і кетонів, що протікає в кислому або лужному середовищі, і яка веде до укрупнення вуглецевого скелета за рахунок утворення нової вуглець вуглецевого зв'язку. Зазвичай супроводжується виділенням молекули води. Докладніше- см. Розділ 3.4.2.
Містять азот (певною мірою окислення -3) з'єднання. Електронна будова атома азоту в аминах - 3 sp 3 -гібрідізованние (з 4) орбіталі аміаку або амінів утворюють зв'язку, в той час як на 4-й гібрідізоваться орбіталі є неподіленої пари електронів. Кути між орбиталями становлять 107 °. Це дещо менше кутів між зв'язками у sp 3 -гібрідізованного вуглецю, але все ж значно більше 90 °, характерних для негібрідізованних орбіталей. Відхилення кутів від значення 109 ° викликано відштовхуємо пари електронів від сусідніх зв'язків.
4.2.1. номенклатура амінів
Аміни називають як похідні вуглеводнів, що містять аміногрупу:
Залежно від ступеня заміщення атома азоту алкільних груп (або ароматичними кільцями) розрізняють:
1) аміни жирні, ароматичні або змішані;
2) первинні, вторинні, третинні аміни та четвертинні амонієві солі і підстави:
Найменування імін виходить від найменування карбонильного з'єднання, від якого утворюється імін. Енаміни - аміни, у яких атом азоту пов'язаний з вуглецем при кратному зв'язку (sp 2 -гібрідізованним вуглецем). Їх називають як Амінопохідні алкенов:
4.2.2. Кислотно-основні властивості амінів
Як відомо, визначення основності по Льюїсу означає домінування пари електронів в реакції. При цьому, якщо пара електронів поставляється на освіту зв'язку з протоном (Н +), то з'єднання діє як підставу. Якщо пара електронів поставляється для утворення зв'язку з вуглецем. то з'єднання називають нуклеофілом.
Взагалі кажучи, розмірковуючи про основності амінів, слід мати на увазі здатність надавати пару електронів для зв'язку з протоном. Найбільш широко використовувана для визначення основності амінів реакція - взаємодія з водою і розгляд її стану при рівновазі:
Стандартною практикою стає опис основності амінів в термінах значень рКа їх пов'язаних кислот (RN + H3 - сполучена кислота, RNH2 - поєднане підставу, або власне амін):
Чим менше значення рКа поєднаної кислоти аміну, тим слабкіше амін як підставу.
Основность амінів має зв'язок з їх структурою (табл. 4.1).
Основность амінів у водних розчинах, виміряна в рКа їх пов'язаних кислот (R-N + H3)
Поєднане підставу ( «батьківський», вихідний амін)
Примітка. Вторинний амін виявився більш осно вним, ніж третинний, тому що електронна пара азоту стерически менш ускладнена якраз у вторинних аминах. На підтвердження цієї гіпотези - висока осно вности третинного атома азоту в хінуклідину (рКа = 10,6), коли алкільні радикали структурно закріплені і не екранують електронну пару азоту. Електроноакцепторні властивості нітрогрупп зводять осно вности аміногрупи нанівець, так само як і друге бензольне кільце.
4.2.3. Хімічні властивості амінів
1. Реакції амінів з азотистої кислотою
Взаємодія первинних амінів.
Під диазотировании розуміють перетворення первинних аліфатичних або ароматичних амінів в солі діазонію (R- + N = N X -). Реакція виконується додатком первинного аміну до охолодженого (0 + 5 ° С) розчину нітриту натрію в розведеною сірчаної або соляної кислоти.
На першій стадії утворюється нітрозамін (R-NH-N = O), який в подальшому послідовності реакцій перетворюється в сіль діазонію. Якщо амін вторинний, то реакція зупиняється на цій стадії. Нітрозопохідні первинних амінів нестійкі і перетворюються далі.
а) первинні аміни
- взаємодія нітрозокатіона з аміном з утворенням діазогідрата:
Отриманий діазогідрат здатний в кислому середовищі утворювати діазонію-катіон, а в лужному - діазотат-аніон. Зміною рН середовища можна переводити одне з'єднання в інше і назад:
Якщо діазотат-аніон відносно стійкий, то цього не можна сказати про діазонію-катіоні. Останній здатний, отщепляя молекулу азоту, перетворюватися в феніл (ароматичні аміни) або карбкатион (аліфатичні первинні аміни). Обидва є досить активними интермедиатами, активно реагують з оточуючими нуклеофилами, даючи в результаті суміш продуктів.
Аліфатичні карбкатион, крім того, зазнають перегрупування вуглецевого скелета, отщепляют протон і т.д.
Так, з первинного карбкатиона негайно утворюється вторинний і всі характерні для нього продукти S N 1 реакції:
включаючи продукти відщеплення протона - алкени:
Утворюється і значна кількість продуктів реакції первинного карбкатиона:
б) первинні ароматичні аміни
Таким чином, діазотування аліфатичних амінів практичного значення не має, а ось діазотування аніліну і його похідних широко використовується в синтетичних цілях. Цьому сприяє більш висока стійкість ароматичних диазосоединений. Стійкість збільшується, якщо в кільці присутні електронодонорні заступники. Навпаки, реакційна здатність збільшується при наявності в кільці в о- і п-положеннях електроноактепторних заступників:
Розрізняють дві групи реакцій, в які вступають Діазосполуки:
1) реакції з виділенням азоту
2) реакції без виділення азоту (реакції азосочетанія)
1) реакції з виділенням азоту
Існує ряд синтетичних прийомів отримання сполук різних класів шляхом заміни діазогруппи на іншу угруповання або водень. наприклад
Реакції заміщення ароматичних діазоніевой іонів (табл. 4.2)
Таблицю 4.2 винести в виноску.
Реакції заміщення ароматичних діазоніевой іонів
2) Реакції азосочетанія (реакції без виділення азоту)
Діазонію-катіон може бути електрофільним агентом і вступати в реакції поєднання з активованими ароматичними системами.
У реакціях розрізняють два компонента - диазосоставляющих (сіль діазонію) і азосоставляющей (активовану ароматичну систему). Реакція протікає тим успішніше, чим більш збагачена електронами ароматична система азосоставляющей і чим більше електрофільне диазосоставляющих. Найбільш реакційно здатні диазосоставляющих утворюються в жорстких умовах. При поєднанні відбувається електрофільне атака активованої ароматичної системи атомом азоту, і виділення азоту не відбувається. Атаці піддаються положення, найбільш збагачені електронної щільністю:
При рН> 7 гідроксильна група іонізована, хоча і в незначній мірі. Однак цього досить для орієнтації реакції поєднання по про поточне положення щодо гідроксильної групи, оскільки в іонізованому стані вона є сильним донором електронів по мезомерному ефекту (+ М).
при рН<7 более активным донором электронов становится аминогруппа (+М-эффект выражен сильнее, чем у ОН-группы, вследствие меньшей электроотрицательности азота), поэтому сочетание (замещение) идет в о-положение относительно аминогруппы.
2. Алкилирование амінів
Аміни Алкілуючі алкилгалогенидами, при цьому виходять суміші продуктів. При алкилировании первинних амінів виходять вторинні, третинні аміни та четвертинні солі алкіламмонія (реакція Гофмана):
3. Ацилирование амінів
Аміни ацилуючий кислотами при нагріванні, ангідридами і хлорангидридами кислот - без нагрівання, з утворенням N-ацілпроізводних:
Ацілірованная аміногрупи часто зустрічаються в природних органічних сполуках.
4. Розщеплення зв'язку азот-вуглець
Розщеплення (елімінування) амінів за Гофманом
Елімінування по Гофману при наявності вибору протікає з утворенням алкена з алкільного залишку, що має найменш заміщений бета-вуглецевий атом (більш переважно освіту етилену, ніж пропілену, при одночасній наявності етільний і пропильного радикалів):
Елімінування по Коуп
Третинні аміни піддають окисленню перекисом водню, а утворюються окиси амінів нагрівають:
Якщо існує більше одного варіанту відщеплення протона, то склад продуктів в точності відповідає числу доступних атомів водню в бета-положенні.
4.2.4. Методи отримання аліфатичних амінів
1. Алкілування аміаку галоїдного алкіл (реакція Гофмана - нуклеофільне заміщення галогену):
При видаленні протона від утворився аміну на вільну молекулу аміаку виходить первинний амін, який здатний атакувати наступну молекулу алкілгалогеніду. У підсумку реакцію неможливо зупинити на освіту первинного аміну і виходить суміш амінів, включаючи їх солі. При використанні в реакції еквімолярних співвідношень аміаку і галоидного алкила виходить трудноразделяемая суміш з усіх можливих продуктів. Щодо успішний синтез первинних амінів можна виконати в умовах великого надлишку аміаку.
2. Синтез первинних амінів. реакція Габріеля
Реакція також полягає в нуклеофільному заміщення галогену, проте призводить виключно до первинних амінів, супроводжуючи освітою побічних продуктів. Нуклеофілом (і джерелом азоту) в цій реакції є похідне фталімід (II), після взаємодії з лугом самого фталімід (I):
Подальше алкілування похідного (II) неможливо, тому після його виділення можлива регенерація первинного аміну (III) підставою:
3. Синтези первинних амінів відновленням нітрилів
4. Синтези аріламінов
Ароматичні аміни отримують переважно відновленням ароматичних нітросполук. (Електрофільне реакція нітрування ароматичних сполук легко контролюється, тому вихідні з'єднання для відновлення в аміни доступні).
Один з підходів до відновлення полягає в використанні гидрируются з'єднань в присутності кислот Льюїса:
Дуже часто також використовується відновлення воднем в момент виділення при взаємодії металів з кислотами. Для цього використовують залізні або олов'яні тирсу з соляною кислотою. Різновид реакції, коли відновлюють залізними тирсою в присутності оцтової кислоти, є відновленням в м'яких умовах і використовується для селективного відновлення нітрогрупп. Так, відновленню не піддається карбонильная група.
Відновлення полісульфідами металів є найбільш м'яким. У цих умовах селективно відновлюється нітрогрупа, а потрійний зв'язок, наприклад, не зачіпається:
5. Використання імін для синтезу амінів
Первинні аміни приєднуються до альдегідів і кетонів з утворенням імін (підстав Шиффа). Їх відновлення і дає вторинні аміни:
Аналогічна реакція вторинних амінів з карбонільних сполуками дає енаміни. які відновлюються в результаті до теоретичних амінів:
4.3. Амінокислоти, пептиди, білки
4.3.1. Будова і номенклатура амінокислот
Амінокислоти - похідні карбонових кислот, що мають аміногрупу в a-положенні. Класифікуються за будовою, характером зарядженості і замінності-незамінності.
Класифікація за будовою:
б) діаміномонокарбоновие (лізин, аргінін, цитрулін);
в) моноамінодікарбоновие (аспарагінова і глутамінова кислоти);
г) діамінодікарбоновие (цистин).
Назва за номенклатурою IUPAC формується, як у карбонових кислот взагалі, з перерахуванням наявних в вуглецевого ланцюга заступників. Наприклад, амінокислота серин. має будову:
буде називатися 2-аміно-3-гідроксіпропановая кислота, а лізин, відповідно, 2,6-діаміногексановая. Однак, на практиці, назви по номенклатурі IUPAC по відношенню до протеїногенних амінокислотам ніколи не застосовують, обходячись історично склалися тривіальними назвами. Виняток становлять лише аспарагінова і глутамінова кислоти, для яких досить часто використовують назви аспартат і глутамат відповідно.
Дуже важливою властивістю амінокислот є будова так званого бокового радикала R. оскільки інша частина молекули, що включає карбоксильну групу, аміногрупу, асиметричний атом вуглецю і водень, для всіх протеіногенних амінокислот абсолютно однакова:
Наявність в бічному радикала R функціональних груп, таких, як сульфгідрильна -SH, карбамінової H2 NC (= O) -, гидроксильная HO-, аминогруппа H2 N-, карбоксильная HOOC- і деякі інші, надає вирішальне значення не тільки при формуванні вторинної, третинної і четвертинної структур білкової молекули, але і на її біологічні функції. У водних середовищах при різних значеннях рН ці групи відповідають за формування електричних зарядів білкової молекули, її розчинність та ряд інших фізико-хімічних властивостей. Наприклад, заміна одного-єдиного амінокислотного залишку (глутамінової кислоти в положенні 6) в поліпептидного ланцюга субодиниці гемоглобіну на залишок амінокислоти валін призводить до такої зміни властивостей молекули гемоглобіну, що це викликає патологію, яка називається «серповидноклеточная анемія».
Список 20 протеіногенних амінокислот ссавців (табл. 4.3)
За характером зарядженості бічних радикалів амінокислоти поділяють:
а) на неполярні гідрофобні:
б) полярні (гідрофільні), але незаряджені (серин, треонін, аспарагін, глутамін):
в) полярні з негативним зарядом (аспарагінова і глутамінова кислоти):
г) полярні з позитивним зарядом (лізин, аргінін, гістидин).
Залежно від того, чи можуть амінокислоти синтезуватися в організмі або повинні надходити в складі їжі, розрізняють:
б) незамінні амінокислоти
Небілкові і рідко зустрічаються амінокислоти
У виноски - Таблицю з приміткою
Список 20 протеіногенних амінокислот ссавців