.svg/1280px-Amide-(tertiary).svg.png)
В органической химии амид , [1] [2] [3] также известный как органический амид или карбоксамид , представляет собой соединение с общей формулой R −C(=O)−NR′R″ , где R, R' и R″ представляют любую группу, обычно органильные группы или атомы водорода . [4] [5] Амидная группа называется пептидной связью , когда она является частью основной цепи белка , и изопептидной связью , когда она встречается в боковой цепи , как в аспарагине и глутамине . Ее можно рассматривать как производное карбоновой кислоты ( R−C(=O)−OH ) с гидроксильной группой ( −OH ), замененной аминогруппой ( −NR′R ″ ); или, что эквивалентно, ацильная (алканоильная) группа ( R−C(=O)− ), присоединенная к аминогруппе.
Распространенными амидами являются формамид ( H−C(=O)−NH 2 ), ацетамид ( H 3 C−C(=O)−NH 2 ), бензамид ( C 6 H 5 −C(=O)−NH 2 ) и диметилформамид ( H−C(=O)−N(−CH 3 ) 2 ). Некоторые необычные примеры амидов — N -хлорацетамид ( H 3 C−C(=O)−NH−Cl ) и хлороформамид ( Cl−C(=O)−NH 2 ).
Амиды классифицируются как первичные , вторичные и третичные в зависимости от того, имеет ли аминная подгруппа форму −NH 2 , −NHR или −NRR' , где R и R' представляют собой группы, отличные от водорода. [5]
Ядро амидов −C(=O)−(N) называется амидной группой (в частности, карбоксамидной группой ).
В обычной номенклатуре термин «амид» добавляется к основе названия исходной кислоты. Например, амид, полученный из уксусной кислоты, называется ацетамид (CH 3 CONH 2 ). ИЮПАК рекомендует этанамид , но это и родственные ему формальные названия встречаются редко. Когда амид получен из первичного или вторичного амина, заместители на азоте указываются первыми в названии. Таким образом, амид, образованный из диметиламина и уксусной кислоты , называется N , N -диметилацетамид (CH 3 CONMe 2 , где Me = CH 3 ). Обычно даже это название упрощается до диметилацетамида . Циклические амиды называются лактамами ; они обязательно являются вторичными или третичными амидами. [5] [6]
Амиды широко распространены в природе и технологии. Белки и важные пластики, такие как нейлоны , арамиды , тварон и кевлар, являются полимерами , единицы которых соединены амидными группами ( полиамиды ); эти связи легко образуются, придают структурную жесткость и устойчивы к гидролизу . Амиды включают в себя многие другие важные биологические соединения, а также многие лекарства, такие как парацетамол , пенициллин и ЛСД . [7] Низкомолекулярные амиды, такие как диметилформамид, являются распространенными растворителями.
Неподеленная пара электронов на атоме азота делокализована в карбонильную группу , таким образом образуя частичную двойную связь между азотом и углеродом. Фактически атомы O, C и N имеют молекулярные орбитали, занятые делокализованными электронами , образуя сопряженную систему . Следовательно, три связи азота в амидах не пирамидальные (как в аминах ), а плоские. Это плоскостное ограничение предотвращает вращения вокруг связи N и, таким образом, имеет важные последствия для механических свойств объемного материала таких молекул, а также для конфигурационных свойств макромолекул, построенных такими связями. Неспособность вращаться отличает амидные группы от сложноэфирных групп, которые допускают вращение и, таким образом, создают более гибкий объемный материал.
Ядро CC(O)NR 2 амидов плоское. Расстояние C=O короче расстояния CN почти на 10%. Структуру амида можно описать также как резонанс между двумя альтернативными структурами: нейтральной (A) и цвиттер-ионной (B).
Подсчитано, что для ацетамида структура A вносит 62% вклада в структуру, в то время как структура B вносит 28% вклада (эти цифры не составляют в сумме 100%, поскольку существуют дополнительные менее важные формы резонанса, которые не изображены выше). Также существует водородная связь между атомами водорода и азота в активных группах. [9] Резонанс в значительной степени предотвращается в очень напряженном хинуклидоне .
В ИК-спектрах амидов наблюдается умеренно интенсивная полоса ν CO около 1650 см −1 . Энергия этой полосы примерно на 60 см −1 ниже, чем для ν CO эфиров и кетонов. Это различие отражает вклад цвиттер-ионной резонансной структуры.
По сравнению с аминами амиды являются очень слабыми основаниями . В то время как сопряженная кислота амина имеет p K a около 9,5, сопряженная кислота амида имеет ap K a около −0,5. Поэтому по сравнению с аминами амиды не обладают кислотно-основными свойствами , которые так заметны в воде . Это относительное отсутствие основности объясняется оттягиванием электронов от амина карбонилом. С другой стороны, амиды являются гораздо более сильными основаниями , чем карбоновые кислоты , сложные эфиры , альдегиды и кетоны (p K a их сопряженных кислот находятся между −6 и −10).
Протон первичного или вторичного амида не диссоциирует легко; его p K a обычно значительно выше 15. Наоборот, в чрезвычайно кислых условиях карбонильный кислород может стать протонированным с ap K a примерно −1. Это происходит не только из-за положительного заряда азота, но и из-за отрицательного заряда кислорода, полученного посредством резонанса.
Из-за большей электроотрицательности кислорода, чем азота, карбонил (C=O) является более сильным диполем, чем диполь N–C. Наличие диполя C=O и, в меньшей степени, диполя N–C позволяет амидам действовать как акцепторы водородных связей. В первичных и вторичных амидах наличие диполей N–H позволяет амидам также функционировать как доноры водородных связей. Таким образом, амиды могут участвовать в образовании водородных связей с водой и другими протонными растворителями; атом кислорода может принимать водородные связи из воды, а атомы водорода N–H могут отдавать водородные связи. В результате таких взаимодействий растворимость амидов в воде выше, чем у соответствующих углеводородов. Эти водородные связи также играют важную роль во вторичной структуре белков.
Растворимости амидов и эфиров примерно сопоставимы. Обычно амиды менее растворимы, чем сопоставимые амины и карбоновые кислоты, поскольку эти соединения могут как отдавать, так и принимать водородные связи. Третичные амиды, за важным исключением N , N -диметилформамида , демонстрируют низкую растворимость в воде.
Амиды неохотно участвуют в реакциях нуклеофильного замещения. Амиды устойчивы к воде и примерно в 100 раз более устойчивы к гидролизу, чем сложные эфиры. [ необходима цитата ] Однако амиды могут гидролизоваться до карбоновых кислот в присутствии кислоты или основания. Стабильность амидных связей имеет биологические последствия, поскольку аминокислоты , из которых состоят белки, связаны амидными связями. Амидные связи достаточно устойчивы к гидролизу, чтобы поддерживать структуру белка в водной среде, но восприимчивы к катализируемому гидролизу. [ необходима цитата ]
Первичные и вторичные амиды не реагируют с углеродными нуклеофилами. Вместо этого, реагенты Гриньяра и литийорганические соединения депротонируют амидную NH-связь. Третичные амиды не испытывают этой проблемы и реагируют с углеродными нуклеофилами, давая кетоны ; амидный анион (NR 2 − ) является очень сильным основанием и, следовательно, очень плохой уходящей группой, поэтому нуклеофильная атака происходит только один раз. При реакции с углеродными нуклеофилами N , N -диметилформамид (ДМФ) может быть использован для введения формильной группы. [10]
Здесь фениллитий 1 атакует карбонильную группу ДМФА 2 , давая тетраэдрический промежуточный продукт 3 . Поскольку анион диметиламида является плохой уходящей группой, промежуточный продукт не разрушается и не происходит другого нуклеофильного присоединения. При кислотной обработке алкоксид протонируется с образованием 4 , затем амин протонируется с образованием 5 . Элиминирование нейтральной молекулы диметиламина и потеря протона дают бензальдегид 6 .
Амиды гидролизуются в горячей щелочи , а также в сильных кислотных условиях. Кислотные условия дают карбоновую кислоту и ион аммония, тогда как основной гидролиз дает ион карбоксилата и аммиак. Протонирование первоначально образованного амина в кислых условиях и депротонирование первоначально образованной карбоновой кислоты в основных условиях делают эти процессы некаталитическими и необратимыми. Электрофилы, отличные от протонов, реагируют с карбонильным кислородом. Этот этап часто предшествует гидролизу, который катализируется как кислотами Бренстеда , так и кислотами Льюиса . Ферменты пептидазы и некоторые синтетические катализаторы часто действуют путем присоединения электрофилов к карбонильному кислороду.
Амиды обычно получают путем соединения карбоновой кислоты с амином . Прямая реакция обычно требует высоких температур для удаления воды:
Эфиры являются гораздо более эффективными субстратами по сравнению с карбоновыми кислотами. [13] [14] [15]
Далее «активируя» как хлорангидриды кислот ( реакция Шоттена-Баумана ), так и ангидриды ( метод Люмьера-Барбье ) реагируют с аминами, образуя амиды:
Синтез пептидов использует связующие агенты, такие как HATU , HOBt или PyBOP . [16]
Гидролиз нитрилов проводится в промышленных масштабах для получения жирных амидов. [17] Также доступны лабораторные процедуры. [18]
Многие специализированные методы также дают амиды. [19] Различные реагенты, например, трис(2,2,2-трифторэтил) борат, были разработаны для специализированных применений. [20] [21]
{{cite journal}}: CS1 maint: безымянное периодическое издание ( ссылка )