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