Chemia organiczna. Związki zawierające azot. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Transkrypt

1 Chemia organiczna Związki zawierające azot Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

2 Grupy funkcyjne zawierające azot Grupa funkcyjna Przykład związku Wzór Nazwa Wzór Nazwa -NO 2 nitrowa CH3NO2 nitrometan -ONO 2 azotanowa CH3ONO2 azotan metylu -NO nitrozowa C6H5NO nitrozobenzen -ONO azotynowa CH3ONO azotyn metylu -NH 2 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

3 Grupy funkcyjne zawierające azot Grupa funkcyjna Przykład związku Wzór Nazwa Wzór Nazwa =NOH hydroksyiminowa CH 3 CH=NOH oksym etanalu -NHNH 2 hydrazynowa CH 3 NHNH 2 metylohydrazyna -CONH 2 amidowa CH 3 CONH 2 amid kwasu octowego NH -C amidynowa CH 3 C acetamidyna NH NH 2 NH 2 -CONHOH hydroksamowa CH 3 CONHOH kwas acetohydroksamowy -N 3 azydowa CH 3 N 3 azydek metylu -NHCNH 2 CH 3 NHCNH 2 guanidynowa NH NH metyloguanidyna

4 Grupy funkcyjne zawierające azot Grupa funkcyjna Przykład związku Wzór Nazwa Wzór Nazwa -N=N- CH 3 N=NCH 3 azoksy O O azoksymetan -N 2 diazowa CH 2 N 2 diazometan -N 2 + diazoniowa C 6 H 5 N 2 + kation fenylodiazoniowy

5 Związki nitrowe - nitrozwiązki związki nitrowe zbudowane są z grupy nitrowej i połączonym z nią rodnikiem alifatycznym lub aromatycznym atom azotu występuje w hybrydyzacji sp 2 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

6 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. H + forma nitro forma aci

7 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

8 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 bardzo wolno NaOH wolno H + szybko NaOH szybko fenylonitrometan forma nitro ciecz t.wrz. 226 o C fenylonitrometan forma aci ciało stałe t.top. 84 o C

9 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 + C 6 H 5 NO 2 C 6 H 5 NO C 6 H 5 NHOH C 6 H 5 NH 2 -H 2 O -H 2 O nitrobenzen nitrozobenzen fenylohydro- anilina ksyloamina

10 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 NO + 2 HNO H 2 SO 4 NO H 3 O HSO HNO 3 H 2 SO 4 -H 2 O NO 2 HNO 3 NO 2 H 2 SO 4 +H 2 O otrzymywanie z halogenoalkanów NO 2 R-X + O=N-O - R-O-NO + X - reakcja przy atomie tlenu estry kwasu azotowego (azotany) R-X + O=N-O - R-NO 2 + X - reakcja przy atomie azotu - nitroalkany

11 Aminy Aminy - organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru został zastąpiony resztami organicznymi atom azotu w aminach ma hybrydyzację sp 3, 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 108 o, jest więc zbliżony do kąta tetraedrycznego bardziej niż w amoniaku. Długość wiązania C N osiąga 1,47 Å amoniak trimetyloamina

12 Aminy Konsekwencją tetraedrycznej budowy amin 3 o 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 sp 2 trwałe są enancjomery 4 o soli amoniowych

13 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 I o przyrostek amina; wyższe rzędy prefiks N- przed przyłączonymi do grupy aminowej podstawnikami nomenklatura zwyczajowa podstawniki alkilowa (w kolejności alfabetycznej) + sufix amina

14 Aminy - występowanie Aminy biogenne powstają w wyniku dekarboksylacji aminokwasów. bardzo toksyczne substancje o silnym działaniu fizjologicznym (na ogół) nieprzyjemny zapach powstają w procesie rozkładu mięsa ornityna putrescyna kadaweryna (z ornityny) (z lizyny) tyramina histamina tryptamina (z tyrozyny) (z histydyny) (z tryptofanu)

15 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

16 Alkaloidy efedryna meskalina koniina rycynina nikotyna kokaina chinina morfina johimbina strychnina kofeina teofilina teobromina

17 Aminy cykliczne aminy naturalne piperydyna indol pirolidyna imidazol pirydyna koniina serotonina kofeina nikotyna muskaryna trucizna neuroprzekaźnik pirolidyna pirymidyna piperydyna piperydyna chinolina pirydyna atropina tiamina morfina chinina witamina B1

18 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 1 o, ale biegnie dalej do amin 2 o, 3 o i 4 o sole amoniowe. powstaje trudna do rozdzielenia mieszanina produktów

19 reakcje alkilowania podstawienia nukleofilowego halogenków alkilowych amoniakiem wzrost nukleofilowości amin w wyniku dołączania kolejnych grup alkilowych - efekt +I. reakcja nie zatrzymuje się na aminach 1 o, ale biegnie dalej do amin 2 o, 3 o i 4 o sole amoniowe. powstaje trudna do rozdzielenia mieszanina produktów amoniak chlorek metylu chlorek metyloamina metyloamoniowy (amina 1 o ) chlorek metylu chlorek dimetyloamina dimetyloamoniowy (amina 2 o ) dietyloamina chlorek metylu chlorek trimetyloamina trimetyloamoniowy (amina 3 o ) trimetyloamina chlorek metylu chlorek tetrametyloamoniowy (4 o sól amoniowa)

20 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 1 o ftalazyna bezwodnik ftalimid ftalimidek N-(2-fenyloetylo)ftalimid fenyloetyloamina ftalowy potasu

21 Aminy - otrzymywanie redukcyjne aminowanie aldehydy i ketony redukowane katalitycznie wodorem w obecności amoniaku, amin 1 o lub 2 o ulegają przekształceniu w odpowiednie aminy. pośrednio tworzą się iminy, które znacznie łatwiej ulegają redukcji katalitycznej niż związki karbonylowe. związek imina amina I o karboksylowy użycie w reakcji amin 1 o lub amin 2 o prowadzi odpowiednio do amin 2 o lub amin 3 o w redukcyjnym aminowaniu otrzymuje się aminy o jeden rząd wyższe w porównaniu do rzędowości aminy użytej w reakcji związek amina 1 o karbonylowy imina amina 2 o

22 Aminy otrzymywanie przez redukcyjne aminowanie w redukcyjnym aminowaniu otrzymuje się aminy o jeden rząd wyższe w porównaniu do rzędowości aminy użytej w reakcji amina I o amina II o amina III o

23 Aminy otrzymywanie przez redukcyjne aminowanie benzaldehyd benzyloamina 1-fenylopropan-2-on amfetamina cyklo- dietyloamina N,N-dimetyloheksanon cykloheksyloamina

24 Aminy - otrzymywanie redukcyjne aminowanie z alkoholi, w zależności od wybranej metody, można otrzymać różne aminy: o takiej samej długości łańcucha węglowego, skróconym wydłużonym łańcuchu

25 Aminy - otrzymywanie W przegrupowaniu Hofmanna amidy są przeprowadzane w aminy 1 o, zawierające jeden atom węgla mniej niż związki wyjściowe. Amidy przekształcenie w izocyjaniny - pod wpływem bromu w zasadowym środowisku hydroliza do amin z wydzieleniem CO 2 amid amina I o ftalimid monoamid kwas ftalowy kwasu ftalowego

26 Aminy - otrzymywanie W przegrupowaniu Curtiusa azydki są przeprowadzane w aminy I o, 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 I o wydzielając CO 2 chlorek acylu azydek acylu izocyjanian alkilu amina 1 o

27 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

28 Zasadowość amin aminy alifatyczne są kilkanaście razy silniejszymi zasadami niż amoniak efekt indukcyjny +I reszt alifatycznych przyczyna wzrostu zasadowości amin alifatycznych w stosunku do NH 3 zwiększenie liczby reszt alifatycznych w aminach 2 o i 3 o 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.

29 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

30 Zasadowość amin aromatycznych podstawniki zwiększające efekt elektronoakceptorowy obniżają zasadowość podstawniki elektronodonowe zwiększają zasadowość

31 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 1 o przechodzą w aminy 2 o aminy 2 o w aminy 3 o aminy 3 o w 4 o sole amoniowe. praktyczne znaczenie ma alkilowanie amin aromatycznych do 3 o N,N-dialkiloaryloamin i otrzymywanie 4 o soli amoniowych

32 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-dinitrofluorobenzen fenyloamina

33 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 acylujący amid Y: -F, -Cl, -Br i -I w halogenkach kwasowych; -OCOR w bezwodnikach kwasowych -OR i -OAr w estrach aktywnych

34 Reaktywność amin Grupy -NH 2, -NHR i -NR 2, (podobnie jak -OR i OH) należą do grup trudnoodchodzących aminy 1 o, 2 o i 3 o są związkami trwałymi. nie ulegają termicznemu rozkładowi do alkenów 4 o wodorotlenki amoniowe są nietrwałe w podwyższonej temperaturze, rozkładają się do alkenu i z wydzieleniem 3 o aminy reakcja Hofmana

35 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 4 o soli amoniowej w 4 o wodorotlenek amoniowy 4 o sól amoniowa 4 o wodorotlenek amoniowy alken heksyloamina jodek N,N,N trimetyloheksyloamoniowy trimetyloamina heks-1-en

36 Reakcje amin z kwasem azotowym (III) Aminy alifatyczne 1 o 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

37 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.

38 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:

39 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%)

40 Aminy aromatyczne wpływ grupy aminowej na reakcje SE w pierścieniu obniżamy blokując acylowaniem grupę NH 2

41 Aminy aromatyczne - acylowanie w reakcji Friedela-Craftsa aminy aromatyczne można acylować w reakcji Friedela- Craftsa po uprzednim zacylowaniu grupy aminowej

42 Aminy aromatyczne - acylowanie w reakcji Friedela-Craftsa Otrzymywanie sulfonamidów leków przeciwbakteryjnych zamiast halogengów acylowych - kwas chlorosulfonowy amonoliza