Амиды карбоновых кислот
Общие сведения
Амиды карбоновых кислот представляют собой важнейший класс органических соединений, являющихся производными карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа замещена на аминогруппу. По своему химическому строению амидная группировка имеет фундаментальное сходство со структурой белков и пептидов. Данный класс веществ характеризуется широким спектром биологической активности и повсеместным распространением как в живой природе, так и в химической промышленности. Строение амидной группы обуславливает специфическое распределение электронной плотности, что делает амиды уникальными объектами для органического синтеза и конструирования сложных макромолекулярных систем.
Классификация
Классификация амидов карбоновых кислот традиционно основывается на степени замещения атома азота в амидной группе. Выделяют первичные амиды, в которых атом азота связан с двумя атомами водорода, вторичные (N-замещенные) амиды, содержащие один углеводородный радикал при атоме азота, и третичные (N,N-дизамещенные) амиды, в которых оба атома водорода замещены на органические радикалы. Отдельную структурную группу составляют циклические амиды, получившие название лактамы; они образуются в результате внутримолекулярной циклизации аминокислот. Кроме того, выделяют полиамиды — высокомолекулярные соединения, в которых мономерные звенья связаны между собой амидными связями.
Способы получения
Синтез амидов может осуществляться различными путями. Прямое взаимодействие карбоновых кислот с аммиаком или аминами базируется на том, что аммиак и амины являются более сильными нуклеофилами по сравнению со спиртами и водой. Механизм включает нуклеофильную атаку атома азота по карбонильному углероду с последующим переносом протона и отщеплением молекулы воды. Однако при простом смешении реагентов образуется аммонийная соль карбоновой кислоты. Для смещения равновесия в сторону образования амида требуется интенсивное нагревание, при котором соль разлагается с выделением воды. Этот метод имеет ограничения и часто не подходит для пространственно затрудненных алифатических кислот, но активно применяется в промышленности, например, для получения сукцинимида из янтарной кислоты и фталимида из фталевой кислоты.
Наиболее универсальным и препаративно удобным методом получения амидов является ацилирование аммиака, а также первичных и вторичных алифатических или ароматических аминов с использованием высокореакционноспособных производных карбоновых кислот: ацилгалогенидов, ангидридов и сложных эфиров. Данные реакции протекают в значительно более мягких условиях и обеспечивают высокие выходы целевых продуктов.
Еще одним способом синтеза является гидролиз нитрилов. Поскольку превращение амидов в нитрилы и обратно носит обратимый характер, водный щелочной раствор пероксида водорода позволяет эффективно гидролизовать нитрилы до соответствующих амидов.
Важное значение имеет реакция Риттера, представляющая собой алкилирование нитрилов по атому азота с образованием промежуточного соединения — нитрилиевой соли. Последующий гидролиз этой соли приводит к образованию вторичного амида. Сама нитрилиевая соль может быть выделена в индивидуальном виде при алкилировании нитрилов солями триалкилоксония. К специфическим методам получения амидов также относится перегруппировка Бекмана.
Свойства
Амиды способны подвергаться гидролизу с образованием исходных карбоновых кислот как в кислой, так и в щелочной среде. В отличие от гидролиза сложных эфиров, для расщепления амидной связи требуются весьма жесткие условия: использование кислот высоких концентраций и нагревание до температур, близких к температуре кипения воды. Процесс может протекать в условиях специфического кислотного или основного катализа, а также общего кислотно-основного катализа, включая случаи внутримолекулярного гидролиза с участием карбоксилат-иона.
Реакции восстановления амидов служат важным методом получения аминов. Использование классического алюмогидрида лития или диборана позволяет с высоким выходом восстанавливать незамещенные амиды до первичных аминов, N-монозамещенные — до вторичных, а N,N-дизамещенные — до третичных аминов. Циклические амиды (лактамы) восстанавливаются до соответствующих циклических аминов. При использовании более мягких восстановителей, таких как триэтоксиалюмогидрид лития или диизобутилалюминийгидрид (ДИБАЛ), восстановление N,N-диалкиламидов можно остановить на стадии альдегида, достигая выходов порядка 60-90 процентов.
Незамещенные при атоме азота амиды подвергаются дегидратации под действием таких реагентов, как тионилхлорид, оксихлорид фосфора, уксусный или трифторуксусный ангидрид, превращаясь в нитрилы. Наиболее эффективной системой является тионилхлорид в присутствии диметилформамида. Вторичные амиды при реакции с галогенирующими агентами образуют имидоилхлориды, которые при нагревании способны отщеплять алкилхлорид с образованием нитрилов. Взаимодействие диметилформамида с оксихлоридом фосфора или фосгеном генерирует высокоэффективный формилирующий агент (реакция Вильсмейера — Хаака).
При взаимодействии с азотистой кислотой, нитрозилхлоридом или солями нитрозония первичные амиды подвергаются дезаминированию, в то время как вторичные образуют нитрозоамиды. В мягких условиях под действием гипогалогенитов амиды легко галогенируются с образованием N-галогенамидов.
Важнейшим свойством является способность амидов и их производных к изомеризации с образованием первичных аминов. Классической является перегруппировка Гофмана (1881 год), при которой N-галогенамиды обрабатываются щелочью. Реакция протекает внутримолекулярно: алкильная группа мигрирует от атома углерода к атому азота с сохранением своей пространственной конфигурации. Образующийся промежуточный изоцианат присоединяет воду и после декарбоксилирования превращается в первичный амин. Метод Гофмана особенно эффективен для получения аминов с сильно разветвленными радикалами.
Альтернативным путем является реакция Курциуса (1890 год). В этом случае ацилазиды, синтезируемые из гидразинов или путем взаимодействия ацилгалогенидов с азидом натрия, при нагревании отщепляют молекулярный азот. Процесс идет через стадию образования ацилнитрена и изоцианата. Метод Курциуса предпочтителен для синтеза аминов из ненасыщенных или простых двухосновных кислот (малоновой, янтарной, глутаровой). Одностадийным аналогом является реакция Шмидта, заключающаяся во взаимодействии карбоновой кислоты с азотистоводородной кислотой в среде концентрированной серной кислоты. Реакция протекает быстро и с высоким выходом, однако ограничена нестабильностью ряда субстратов в концентрированных минеральных кислотах.
Амиды являются амбидентными соединениями, имеющими два нуклеофильных центра: атом кислорода и атом азота. Протонирование амидов происходит преимущественно по атому кислорода. Направление алкилирования зависит от природы реагента. Жесткие алкилирующие агенты, такие как тетрафторбораты триалкилоксония или алкилтрифлаты, направляют реакцию по атому кислорода с образованием иминоэфиров. В отличие от самих амидов, их депротонированные анионы алкилируются исключительно по атому азота. N,N-диалкиламиды также способны реагировать с реактивами Гриньяра с образованием альдегидов, однако выходы в этой реакции сильно варьируются в зависимости от структуры магнийорганического соединения.
Применение
Многочисленные производные амидов карбоновых кислот находят широчайшее применение в современной медицине и фармакологии. Многие из них обладают выраженной биологической активностью и используются в качестве транквилизаторов (например, мепробамат, диазепам), входят в структуру барбитуратов и некоторых антибиотиков, а также известны в качестве галлюциногенов. В химической технологии и материаловедении огромное значение имеют полиамиды, такие как нейлон и капрон. Данные полимеры широко применяются для производства синтетических волокон, тканей, конструкционных материалов и специализированных изделий, используемых в самых разных отраслях промышленности от изготовления одежды до создания сложного оборудования.