Azotowe związki organiczne

Transkrypt

1 strona 1/1 Azotowe związki organiczne Krystyna Bogdanowicz-Szwed Procesy zachodzące w żywych organizmach są ściśle związane z chemią wielofunkcyjnych związków organicznych zawierających w swoich cząsteczkach atomy azotu. bejmuje ona kilka klas związków organicznych, bez obecności których niemożliwe byłoby życie roślin i zwierząt. ależą do nich aminokwasy, peptydy, białka, kwasy nukleinowe oraz różnorodne alkaloidy wytwarzane przez rośliny. rganiczne związki azotu odznaczają się uderzająco wielką różnorodnością budowy. Ilustruje to przedstawiona poniżej tabela, która zawiera przykłady azotowych grup funkcyjnych, nie wyczerpując jednak wszystkich możliwości strukturalnych, jakie stwarza zmienna wartościowość azotu i jego zdolność do tworzenia pojedynczych, podwójnych i potrójnych wiązań z atomami węgla. grupa funkcyjna rodzaj związku przykład związku związki nitrowe aminy amidy iminy oksymy fenylohydrazony 6 5 nitryle izocyjaniany związki azowe heterocykliczne związki azotowe: pirol, pirydyna, pirymidyna Tab. 1. Przykłady grup funkcyjnych i związków zawierających atomy azotu W poniższym artykule przedstawię przede wszystkim te spośród organicznych połączeń azotowych, które zasługują na szczególną uwagę ze względu na ich znaczenie w chemii organicznej oraz rozpowszechnienie w naturze. ależą do nich niewątpliwie: związki nitrowe, aminy oraz produkty ich kondensacji ze związkami karbonylowymi, aminokwasy, peptydy i białka, kwasy nukleinowe, alkaloidy i barwniki.

2 strona /1 Systematyczne omawianie związków azotowych najlepiej rozpocząć od związków nitrowych lub aminowych, jednakże przedstawianie związków nitrowych na początku jest bardziej uzasadnione, ponieważ często stanowią one substraty w syntezie innych azotowych grup funkcyjnych. Związki nitrowe becność grupy nitrowej w łańcuchu alifatycznym lub w pierścieniu aromatycznym nadaje charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne tej klasie połączeń. Budowę grupy nitrowej można przedstawić w formie dwóch struktur rezonansowych: W każdej ze struktur atom azotu ma pełny ładunek dodatni i połówkowy ładunek ujemny na atomach tlenu. Powyższe struktury są w pełni zgodne z dużym momentem dipolowym związków nitrowych, który, w zależności od rodzaju grupy, wynosi od,5 4,0 D. Polarny charakter grupy nitrowej powoduje mniejszą lotność związków nitrowych w porównaniu z lotnością innych połączeń organicznych o zbliżonej masie cząsteczkowej. Związki nitrowe są nietrwałe termodynamicznie. atwo ulegają rozkładowi, wydzielając duże ilości energii. Ta właściwość została wykorzystana w praktyce, gdyż niektóre z nich stosuje się jako substancje wybuchowe, np.,4,6-trinitrotoluen (trotyl) lub,4,6-trinitrofenol (kwas pikrynowy). Związki nitrowe można otrzymać różnymi metodami. ajczęściej stosowane polegają na bezpośrednim działaniu na węglowodory kwasem azotowym(v). + + Metoda ta jest szczególnie użyteczna do nitrowania związków aromatycznych. Powszechnie przyjęty mechanizm reakcji nitrowania związków aromatycznych mieszaniną kwasów azotowego(v) i siarkowego(vi) obejmuje przedstawione poniżej etapy reakcji: 1. + S S jon nitroniowy powoli. + + S S 4 szybko

3 strona /1 Aromatyczne związki nitrowe odznaczają się dużą toksycznością. Szczególnie niebezpieczny jest nitrobenzen, pomimo tego jest produkowany w dużych ilościach i często stosowany jako odczynnik w dalszych syntezach. itrowe pochodne toluenu nie są toksyczne.,4,6-trinitrowe pochodne toluenu, zawierające grupy t-butylową lub izopropylową, posiadają przyjemny zapach piżma, dlatego znalazły zastosowanie w przemyśle kosmetycznym. ( ) ( ) Związki nitrowe rzadko występują w przyrodzie. Dotychczas wykryto zaledwie kilka naturalnych związków nitrowych. ajprostszym z nich jest kwas -nitropropanowy występujący w niektórych roślinach z rodzaju Aspergillus lub Penicillium, np. chloromycyna. kwas -nitropropanowy l chloromycyna Duże znaczenie związków nitrowych alifatycznych i aromatycznych polega głównie na tym, że są one substratami w syntezie bardzo ważnej grupy związków, zwanej aminami, które otrzymuje się najłatwiej przez ich redukcję. Aminy Aminy są pochodnymi amoniaku. ozróżniamy aminy pierwszorzędowe, drugorzędowe, trzeciorzędowe oraz czwartorzędowe sole amoniowe 4 + X. Struktura elektronowa atomu azotu w aminach jest taka, jak w amoniaku, tj. odpowiada hybrydyzacji sp. Modelem budowy przestrzennej amin jest piramida trygonalna, której wierzchołek zajmuje atom azotu, a płaszczyzna podstawy jest wyznaczona przez trzy podstawniki połączone z atomem azotu. Gdyby wolną parę elektronów uznać za czwarty podstawnik, to modelem budowy amin staje się czworościan z atomem azotu w środku. W takim ujęciu czwarty wierzchołek czworościanu jest wyznaczony przez wolną parę elektronów. 180 Budowa przestrzenna trimetyloaminy

4 strona 4/1 Piramidalna budowa powoduje, że w aminach zawierających trzy różne podstawniki atom azotu staje się chiralny i możliwe są dwie konfiguracje enancjomeryczne. Takich amin nie udało się jednak rozdzielić na dwa enancjomery, ponieważ konfiguracje są nietrwałe i łatwo ulegają inwersji. Energetyczna bariera inwersji jest niska, gdyż wynosi zaledwie 5 kj/mol, co oznacza, że w temperaturze pokojowej zmiana konfiguracji następuje bardzo szybko ok razy na sekundę. 1 1 Inwersja konfiguracji aminowego atomu azotu Pierwszym związkiem zawierającym chiralne atomy azotu, który udało się rozdzielić na dwa enancjomery, była tzw. zasada Trögera. Zasada Trögera Zastąpienie wolnej pary elektronów na atomie azotu czwartym podstawnikiem, jak ma to miejsce w czwartorzędowych solach amoniowych, powoduje wzrost stabilności konfiguracyjnej atomu azotu do tego stopnia, że sole amoniowe zawierające cztery różne podstawniki można bez trudu rozdzielić na enancjomery. zynność optyczna wynikająca z obecności chiralnego atomu azotu jest rzadko spotykana i nie ma większego znaczenia w chemii organicznej. Znacznie częściej mamy do czynienia z aminami optycznie czynnymi, których chiralność jest związana z innymi elementami budowy cząsteczki, najczęściej z chiralnym atomem węgla. Do najprostszych należy 1 fenyloetyloamina, łatwa do X otrzymania w postaci optycznie czystych enancjomerów. Jest ona często stosowana do rozdzielania innych związków optycznie czynnych, np. kwasów, z którymi tworzy diastereoizomeryczne sole. ajważniejsze właściwości chemiczne amin pierwszorzędowych, drugorzędowych i trzeciorzędowych są zdeterminowane przez reaktywność atomu azotu, który dzięki obecności wolnej pary elektronów posiada właściwości zasadowe i nukleofilowe. Do najważniejszych reakcji amin należy tworzenie soli z kwasami nieorganicznymi. eakcje te polegają na odwracalnym przyłączeniu protonu do wolnej pary elektronów atomu azotu. S(-)-1-fenyloetyloamina (+)-1-fenyloetyloamina

5 strona 5/1 + kation alkiloamoniowy + kation dialkiloamoniowy + kation trialkiloamoniowy Miarą zasadowości amin jest stała równowagi reakcji z wodą: K b Aminy alifatyczne są silniejszymi zasadami niż amoniak, w przeciwieństwie do amin aromatycznych, które są słabszymi zasadami. Zwiększona, w porównaniu z amoniakiem, zasadowość amin alifatycznych jest spowodowana dodatnim efektem indukcyjnym grup alkilowych, które odpychają elektrony w kierunku atomu azotu. Słabe właściwości zasadowe amin aromatycznych wynikają ze sprzężenia wolnej pary elektronowej atomu azotu z układem aromatycznym. Sprzężenie wolnej pary można zilustrować odpowiednimi strukturami rezonansowymi. Amoniak oraz aminy są dobrymi odczynnikami nukleofilowymi, znacznie przewyższającymi swoją reaktywnością wodę i alkohole. harakter nukleofilowy amin najlepiej obrazują reakcje podstawienia nukleofilowego, których przykładem jest reakcja alkilowania amin za pomocą chlorowcoalkanów. + J + J Analogicznie zachodzi reakcja substytucji nukleofilowej jodku metylu za pomocą aniliny, prowadząca do,-dimetyloaniliny, która jest ważnym substratem w syntezie barwników azowych.

6 strona 6/1 + J + J ukleofilowość amin zależy od czynników sterycznych, to znaczy od wielkości podstawników związanych z atomem azotu. Duże podstawniki, np. rozgałęzione grupy alkilowe, osłaniają atom azotu do tego stopnia, że uniemożliwiają zbliżenie się odczynników alkilujących. Duże podstawniki nie przeszkadzają natomiast przyłączeniu się protonu do atomu azotu, zatem tego rodzaju aminy zachowują się jak silne zasady i często powodują zachodzenie reakcji eliminacji. Produkty kondensacji amin ze związkami karbonylowymi ukleofilowe własności amin pierwszo- i drugorzędowych są wykorzystywane w syntezie oraz w analizie organicznej. W tej dziedzinie duże znaczenie mają reakcje amin ze związkami karbonylowymi, takimi jak aldehydy, ketony i kwasy, prowadzące odpowiednio do aldimin, ketimin i amidów, które są szeroko stosowane w syntezie organicznej. + ' + ' aldimin ' + ' ' + '' + '' ' '' + ketimin Pierwszym etapem powyższych reakcji jest atak atomu azotu na karbonylowy atom węgla. Pośrednie produkty przyłączenia, o strukturze a-hydroksyloamin, są nietrwałe i ulegają natychmiast dehydratacji, tworząc związki zawierające wiązania podwójne, nazywane wiązaniami azometinowymi. Podobnie reagują z aldehydami i ketonami hydroksyloamina i fenylohydrazyna, tworząc odpowiednio oksymy i fenylohydrazony, które są często stosowane do identyfikacji związków karbonylowych.

7 strona 7/ oksym fenylohydrazon Interesujące i bardzo użyteczne okazały się produkty kondensacji cukrów z nadmiarem fenylohydrazyny, zwane osazonami. Były one po raz pierwszy zsyntetyzowane przez E. Fischera i posłużyły mu w analizie oraz w ustalaniu konfiguracji cukrów. Fischer stwierdził, że cukry różniące się konfiguracją tylko przy atomach węgla -1 i - tworzą identyczne osazony. Tego rodzaju cukry nazywamy epimerycznymi. Przykładem takich cukrów są: D glukoza, D-fruktoza i D mannoza, które tworzą identyczne osazony. = 6 5 = ; ; D-glukoza osazon D-fruktoza ; D-mannoza

8 strona 8/1 Amidy W reakcjach amin z kwasami karboksylowymi lub z estrami tworzą się amidy. eakcja polega na nukleofilowym ataku wolnej pary elektronów atomu azotu na atom węgla grupy karbonylowej i prowadzi do utworzenia produktu addycji, który eliminuje cząsteczkę wody lub alkoholu, tworząc amid. + ' B B = zasada ' amid ' + Amidy charakteryzują się dużą różnorodnością budowy, ale wszystkie zawierają układ złożony z grupy karbonylowej połączonej z aminowym atomem azotu. W budowie grupy amidowej dużą rolę odgrywa sprzężenie wolnej pary elektronów atomu azotu z elektronami p wiązania podwójnego grupy karbonylowej. Powoduje ono powstanie zdelokalizowanych orbitali obejmujących układ trzech atomów. W wyniku tego sprzężenia wiązanie pomiędzy atomem węgla i azotu nabiera częściowo charakter wiązania podwójnego, co powoduje płaską budowę grupy amidowej. Płaska budowa tej grupy została potwierdzona pomiarami rentgenowskimi, w których wyznaczono długości wiązań oraz kąty pomiędzy nimi. Grupa amidowa jest bardzo często spotykanym elementem budowy różnych związków naturalnych oraz syntetycznych o dużym znaczeniu. ajprostszym amidem jest mocznik ( ), który jest końcowym produktem przemiany substancji białkowych w organizmach zwierzęcych. Wiele syntetycznych amidów znalazło szerokie zastosowanie jako substraty w syntezie leków lub włókien syntetycznych. to kilka przykładów cyklicznych amidów, zwanych ogólnie laktamami. butyrolaktam walerianolaktam kaprolaktam Wśród amidów syntetycznych szczególnie interesujący jest kwas barbiturowy, który powstaje w reakcji mocznika i estru kwasu malonowego. Jego pochodne znalazły szerokie zastosowanie jako leki uspakajające i nasenne, np. weronal i luminal.

9 strona 9/ kwas barbiturowy weronal luminal W ostatnim pięćdziesięcioleciu duże znaczenie zdobyły cykliczne czteroczłonowe amidy, zwane b-laktamami. Są one elementem strukturalnym antybiotyków z grupy penicyliny i cefalosporyny. S S penicylina F penicylina G W połowie XX wieku niechlubną sławę zyskał dietyloamid kwasu lizerginowego (LSD), który jest jedną z najsilniejszych trucizn, a jednocześnie silnym środkiem halucynogennym. Wiązania amidowe występują w peptydach i białkach zbudowanych z wielu cząsteczek różnych aminokwasów. 5 5 LSD,-dietyloamid kwasu lizerginowego Aminokwasy, peptydy i białka Aminokwasem, w ścisłym znaczeniu tego słowa, jest każdy związek zawierający w cząsteczce grupę aminową i grupę karboksylową, ale potocznie nazwa ta odnosi się do kwasów aminokarboksylowych, które zawierają grupę w położeniu a - względem grupy. Systematyczne nazwy nie są stosowane do aminokwasów białkowych. Aminokwasy występujące w białkach mają nazwy zwyczajowe oraz skróty odpowiednich nazw, które są pomocne w zapisywaniu sekwencji aminokwasów występujących w peptydach i białkach. to kilka przykładów:

10 strona 10/1 glicyna Gly glicyna Gly alanina Alaalanina Ala glicyna Gly alanina Ala glicyna Gly alanina glicyna Gly Ala glicyna Gly alanina Ala Gly glicyna Gly glicyna Gly alanina Ala Ala alanina Ala walina Val walina Val seryna Ser seryna Ser walina Val seryna Ser walina Val walina Val seryna Ser Val Ser walina Val walina Val seryna Ser seryna Ser ( ( ) cysteina ys ) cysteina ys kwas asparginowy kwas asparginowy Asp S ( S ) cysteina ( ys ( ) cysteina ys kwas asparginowy kwas ) asparginowy cysteina ys Asp Asp S S ) ys ( ( cysteina ys ) cysteina ys ) cysteina S ys kwas kwas asparginowy kwas asparginowy Asp Asp A S S Asp S histydyna is histydyna is ( ) 4 ( ) 4 lizyna Lys lizyna Lys histydyna is ( ( ) 4 histydyna is ) 4 lizyna Lys histydyna is ( ) 4 lizyna Lys is ( ) 4 histydyna is histydyna is ) 4 ( ) 4 4 lizyna Lys Lys lizyna Lys histydyna is lizyna Lys tryptofan Try tryptofan Try tryptofan Try tryptofan Try Try tryptofan tryptofan Try Try tryptofan Try tryptofan Try Spośród około dwudziestu pięciu aminokwasów występujących w białkach, glicyna jest jedynym aminokwasem niezawierającym chiralnego atomu węgla. Wszystkie pozostałe aminokwasy są optycznie czynne i należą do szeregu L, co oznacza, że mają taką samą konfigurację, jak aldehyd L-glicerynowy. Jako wzorzec do ustalania konfiguracji aminokwasów, wybrano L-(-)-serynę. aldehyd L-(-) glicerynowy aminokwas szeregu L aminokwas szeregu D L-(-)- L-(-)-seryna Ser Ser

11 strona 11/1 Aminokwasy są typowymi związkami amfoterycznymi. W stanie stałym istnieją wyłącznie w postaci soli wewnętrznych, powstających w wyniku przeniesienia protonu od kwasowej grupy do zasadowej grupy aminowej. Są to tak zwane jony obojnacze. W wodnych roztworach aminokwasów ustala się równowaga, w której biorą udział jony obojnacze oraz kationy i aniony. Można oczekiwać, że wzajemny ich stosunek będzie zależał od p roztworu. Sprzężony kwas będzie postacią dominującą przy niskich wartościach p, natomiast postaci sprzężonej zasady będą sprzyjały wysokie wartości p. W przypadku aminokwasów zawierających tylko jedną grupę kwasową i jedną grupę aminową występują tylko trzy formy jonowe. + kation p < jon obojnaczy anion p > 8 Własności kwasowo-zasadowe aminokwasu charakteryzuje tak zwany punkt izoelektryczny pi. Punkt izoelektryczny jest to taka wartość p roztworu, przy której stężenie jonu obojnaczego jest największe i rozpuszczalność aminokwasu w wodzie jest najmniejsza. W punkcie izoelektrycznym stężenia anionowej i kationowej formy aminokwasu są minimalne i równe sobie. Dla większości aminokwasów punkt izoelektryczny leży w zakresie p a przykład dla glicyny, alaniny, leucyny i waliny punkt izoelektryczny ma wartość p = 6. Jeżeli cząsteczka aminokwasu zawiera dodatkowo grupy kwasowe lub zasadowe, wartość pi leży poza tym zakresem p. Punkt izoelektryczny kwasu glutaminowego, który zawiera dwie grupy karboksylowe, ma wartość., a dla lizyny ma wartość 9.7, co wynika z obecności w cząsteczce dodatkowej grupy aminowej. wiązania peptydowe tripeptyd tripeptyd Aminokwasy, jako związki dwufunkcyjne, mogą łączyć się ze sobą wiązaniami amidowymi, tworząc produkty zawierające dowolną liczbę grup. Tego typu związki nazywają się peptydami, a produkty polimeryczne o dużej liczbie grup amidowych są nazywane polipeptydami.

12 strona 1/1 Podstawową informacją o budowie peptydów i białek jest sekwencja, czyli kolejność ułożenia aminokwasów w łańcuchu peptydowym. Powszechnie stosuje się skrócony zapis łańcucha peptydowego, który polega na kolejnym wymienianiu aminokwasów w postaci skrótów. Ser-Gly Ser-Gly Ala-Ser Ala-Ser Zgodnie z umową grupę aminową zapisuje się na lewym końcu i określa się ją jako grupę terminalną, podczas gdy grupę karboksylową zapisuje się po prawej stronie i określa się ją jako grupę -terminalną. Z rentgenostrukturalnych badań aminokwasów i peptydów wynika, że grupa amidowa jest płaska, atom węgla grupy karbonylowej oraz atom azotu i pozostałe atomy do nich przyłączone leżą w jednej płaszczyÿnie. Ponadto mała odległość pomiędzy atomem azotu i karbonylowym atomem węgla wskazuje, że wiązanie azot-węgiel ma charakter wiązania podwójnego. Karbonylowy atom tlenu i atom wodoru, związany z azotem, leżą po przeciwnych stronach łańcucha peptydowego, czyli są w położeniu trans. Aminokwasy są cegiełkami z których zbudowane są białka. Strukturę białek możemy rozpatrywać w wielu aspektach. Innymi połączeniami związanymi z chemią białek są tzw. nukleoproteiny. Występują one w każdej żywej komórce. Są to substancje zbudowane z białek połączonych z innymi naturalnymi polimerami kwasami nukleinowymi, DA i A. ząsteczki kwasów nukleinowych zawierają łańcuch, do którego przyłączone są różne grupy, których rodzaj oraz sekwencja są charakterystyczne dla każdego rodzaju kwasu nukleinowego. Podczas gdy szkieletem cząsteczki białka jest łańcuch poliamidowy, szkieletem cząsteczki kwasu nukleinowego jest łańcuch poliestrowy utworzony z kwasu fosforowego(v) (część kwasowa) i cukrowca (część alkoholowa), który z kolei związany jest z jedną z czterech zasad heterocyklicznych. Zasadami tymi są: adenina, guanina, cytozyna i tymina cztery azotowe układy heterocykliczne, pochodne puryny i pirymidyny. Występowanie równoważnych ilości zasad purynowych i pirymidynowych w DA wyjaśnili w 195 r. Watson i rick. Wykazali oni, że dwa pasma kwasów nukleinowych są tak zbudowane, że gdy splatają się z sobą przyjmują strukturę podwójnej spirali, wówczas tworzą się wiązania wodorowe pomiędzy adeniną z jednego łańcucha i tyminą z drugiego łańcucha, oraz odpowiednio pomiędzy cytozyną i guaniną.

13 strona 1/1 Kwasy deoksyrybonukleinowe (DA) i kwasy rybonukleinowe (A) odgrywają zasadniczą rolę w procesie dziedziczenia. DA dostarcza niezbędnych informacji do np. syntezy enzymów oraz swoich własnych kopii, potrzebnych do reprodukcji w procesie podziału komórki. Witaminy, alkaloidy i barwniki Występujące w kwasach nukleinowych azotowe związki heterocykliczne pochodne pirymidyny i puryny występują w wielu związkach naturalnych i syntetycznych niezbędnych do normalnego funkcjonowania organizmów zwierzęcych i roślinnych. Azotowe związki heterocykliczne są elementem strukturalnym wielu witamin, enzymów, leków pochodzenia naturalnego i syntetycznego oraz środków ochrony roślin. W tej grupie są witaminy PP, B 6 zawierające heterocykliczny pierścień pirydyny. Metylowe pochodne puryny występują w powszechnie stosowanych używkach, takich jak herbata, kakao i kawa; są to teofilina, teobromina i kofeina. Poza wyżej przedstawionymi przykładami, heterocykliczne związki z atomami azotu występują w wielu naturalnych barwnikach, np. w indygu i purpurze tyryjskiej. ozwijanie syntezy nowych organicznych związków azotowych, analogicznych do tych, jakie występują w naturze, jest ważne oraz interesujące zarówno ze względów ich praktycznego zastosowania w różnych dziedzinach życia jak, również ze względów poznawczych. Podziękowania dla Fundacji Pro hemia przy Wydziale hemii UJ za zgodę na przedruk artykułu z czasopisma iedziałki (źródło: iedziałki 1/99(9), s. 1-9).