Carbamat

Trong hóa hữu cơ, carbamat là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học tổng quát  và cấu trúc , được dẫn xuất về mặt hình thức từ acid carbamic (). Thuật ngữ này bao gồm cả các hợp chất hữu cơ (ví dụ: ester ethyl carbamat), về hình thứct hu được bằng cách thay thế một hoặc nhiều nguyên tử hydro bằng các nhóm chức hữu cơ khác; cũng như các muối có anion carbamat  (ví dụ: amoni carbamat).

Các polymer có đơn vị lặp lại được liên kết bởi các nhóm giống carbamat  là polyurethan, một loại nhựa quan trọng.

Tính chất 
Trong khi các acid carbamic không bền, nhiều ester carbamat và muối của chúng lại bền và được biết đến rộng rãi.

Cân bằng với carbonat và hydrocarbonat 
Trong dung dịch nước, anion carbamat thiết lập cân bằng chậm với cation amoni  và các anion carbonat  hoặc hydrocarbonat :
 
 

Calci carbamat tan trong nước, trong khi calci carbonat thì không. Việc thêm một muối calci vào dung dịch amoni carbamat/carbonat sẽ làm kết tủa một lượng calci carbonat ngay lập tức, sau đó sẽ từ từ kết tủa thêm khi carbamat tiếp tục bị thủy phân.

Tổng hợp

Muối carbamat 
Muối amoni carbamat được tạo ra bằng cách cho amoniac tác dụng với carbon dioxide:
2 NH3  +  CO2   →    NH4[H2NCO2]

Ester carbamat 
Các ester carbamat cũng được sinh ra thông qua phản ứng rượu phân các carbamoyl chloride:
R2NC(O)Cl + R'OH → R2NCO2R' + HCl
Ngoài ra, carbamat có thể được hình thành từ chloroformat và amin:
R'OC(O)Cl + R2NH → R2NCO2R' + HCl
Carbamat cũng có thể được hình thành từ chuyển vị Curtius, trong đó các isocyanat được tạo ra sẽ phản ứng với một alcohol.
RCON3 → RNCO + N2
RNCO + R′OH → RNHCO2R′

Xuất hiện trong tự nhiên

Protein bị carbamyl hóa 
Trong tự nhiên, carbon dioxide có thể liên kết với các nhóm amin trung hòa để tạo thành một carbamat. Sự biến đổi sau dịch mã này được gọi là carbamyl hóa, và được biết đến là xảy ra trên một số protein quan trọng.

Các nhóm amin ở đầu N của các gốc valin trong chuỗi α- và β- của deoxyhemoglobin tồn tại dưới dạng carbamat. Chúng giúp ổn định protein khi nó trở thành deoxyhemoglobin và tăng khả năng giải phóng các phân tử oxy còn lại đang liên kết với protein. Hiệu ứng này không nên bị nhầm lẫn với hiệu ứng Bohr (một hiệu ứng gián tiếp gây ra bởi carbon dioxide).

Các nhóm ε-amin của các gốc lysin trong urease và phosphotriesterase cũng có cấu trúc carbamat.

Sự hấp thụ CO2 bởi ribulose 1,5-bisphosphat carboxylase 
Một trong các dạng carbamat phổ biến nhất là dạng tham gia vào quá trình hấp thụ CO2 của thực vật. Quá trình này cần thiết cho sự phát triển của chúng. Enzyme ribulose 1,5-bisphosphat carboxylase/oxygenase (RuBisCO) cố định một phân tử carbon dioxide dưới dạng phosphoglycerat trong chu trình Calvin. Tại vị trí hoạt động của enzyme, một ion Mg2+ được liên kết với các gốc glutamat và aspartat cũng như một lysine carbamat. Carbamat được hình thành khi một chuỗi bên lysin trung hòa gần ion phản ứng với một phân tử carbon dioxide từ không khí (không phải phân tử carbon dioxide cơ chất), sau đó làm cho nó tích điện và do đó có thể liên kết với ion Mg2+.

Các con đường sinh tổng hợp khác 
Carbamoyl phosphat là một anhydrid hỗn hợp carbamat, đóng vai trò là chất trung gian trong chu trình ure và sinh tổng hợp pyrimidin. 5-carboxyamino-1-(5-phospho-D-ribosyl)imidazole (N5-CAIR), một dẫn xuất carbamat của aminoimidazole, là một chất trung gian trong sinh tổng hợp inosin. Cả hai carbamat đều được tạo ra thông qua phản ứng của các nhóm  với carboxyphosphat ().

Ứng dụng

Tổng hợp ure 
Mặc dù thường không được tách ra ở dạng như vậy, muối amoni carbamat được sản xuất trên quy mô lớn như một chất trung gian trong quá trình sản xuất hóa chất hàng hóa ure từ amoniac và carbon dioxide.

Nhựa polyurethan 

Các polyurethan chứa nhiều nhóm carbamat như một phần trong cấu trúc của chúng. Từ "urethan" trong tên gọi "polyurethan" ám chỉ các nhóm carbamat này; thuật ngữ "liên kết urethan" mô tả cách các carbamat polymer hóa. Ngược lại, chất thường được gọi là "urethan", ethyl carbamat, không phải là thành phần của polyurethan, cũng không được sử dụng trong quá trình sản xuất chúng. Urethan thường được hình thành bằng phản ứng của một alcohol với một isocyanat. Thông thường, các urethan được tạo ra bằng con đường không sử dụng isocyanat được gọi là carbamat.

Các polymer polyurethan có phạm vi tính chất rộng và có sẵn trên thị trường dưới dạng bọt xốp, elastomer và chất rắn. Thông thường, các polymer polyurethan được tạo ra bằng cách kết hợp các diisocyanat (ví dụ: toluene diisocyanat) và các diol, trong đó các nhóm carbamat được hình thành do phản ứng của các alcohol với các isocyanat:
RN=C=O + R′OH → RNHC(O)OR′

Thuốc trừ sâu carbamat 

Các loại thuốc gọi là thuốc trừ sâu carbamat có chứa nhóm chức ester carbamat (ROC(O)NHR'). Nhóm này bao gồm aldicarb (Temik), carbofuran (Furadan), carbaryl (Sevin), ethienocarb, fenobucarb, oxamyl và methomyl. Chúng là các chất tương tự tổng hợp của alkaloid độc physostigmine, việc nghiên cứu chất này đã dẫn đến sự ra đời của nhóm thuốc trừ sâu này. Ước tính có khoảng 25 triệu kg carbaryl đã được sản xuất vào năm 1971. Những loại thuốc trừ sâu này tiêu diệt côn trùng bằng cách làm bất hoạt thuận nghịch enzyme acetylcholinesterase (ức chế AChE) (IRAC phương thức tác động 1a).

Fenoxycarb có một nhóm carbamat nhưng hoạt động như một chất bắt chước hormone vị thành niên, thay vì làm bất hoạt acetylcholinesterase.

Chất xua đuổi côn trùng icaridin là một carbamat bị thế.

Ngoài việc được sử dụng phổ biến làm thuốc diệt động vật chân đốt/côn trùng, chúng còn có tác dụng diệt tuyến trùng. Một trong số đó là oxamyl.

Doanh số bán hàng của loại thuốc trừ sâu này đã giảm mạnh trong những thập kỷ gần đây.

Tính kháng 
Trong số các đột biến kháng thuốc trừ sâu ở các esterase, tính kháng carbamat thường liên quan nhất đến sự giảm nhạy của acetylcholinesterase (AChE), trong khi kháng organophosphat phổ biến nhất là do sự chuyển hóa của carboxylesterase.

Chất độc thần kinh hệ carbamat 
Mặc dù các chất ức chế acetylcholinesterase hệ carbamat thường được gọi là "thuốc trừ sâu carbamat" do tính chọn lọc cao đối với enzyme acetylcholinesterase của côn trùng so với các phiên bản ở động vật có vú, các hợp chất mạnh nhất như aldicarb và carbofuran vẫn có khả năng ức chế enzyme acetylcholinesterase của động vật có vú tới nồng độ đủ thấp để gây nguy cơ ngộ độc đáng kể cho con người, đặc biệt là khi sử dụng trong nông nghiệp với lượng lớn. Còn được biết đến với độc tính cao hơn với con người là các chất ức chế acetylcholinesterase dựa trên carbamat khác, và một số chất như T-1123 và EA-3990 đã được nghiên cứu để sử dụng tiềm năng trong quân sự như một chất độc thần kinh. Tuy nhiên, vì tất cả các hợp chất loại này đều có nhóm amoni bậc bốn với điện tích dương vĩnh viễn, chúng có khả năng xuyên qua hàng rào máu não kém, và cũng chỉ bền ở dạng muối kết tinh hoặc dung dịch nước, vì vậy chúng không được coi là có các tính chất phù hợp để vũ khí hóa.

Chất bảo quản và mỹ phẩm 
Iodopropynyl butylcarbamat là chất bảo quản gỗ và sơn, đồng thời được sử dụng trong mỹ phẩm.

Nghiên cứu hóa học 
Một số nhóm bảo vệ amin phổ biến nhất, chẳng hạn như Boc, Fmoc, benzyl chloroformat và trichloroethyl chloroformat đều là các carbamat.

Y học

Ethyl carbamat 
Urethan (ethyl carbamat) đã từng được sản xuất thương mại tại Hoa Kỳ như một tác nhân hóa trị và cho các mục đích y tế khác. Tuy nhiên, người ta phát hiện ra nó có độc tính và phần lớn không hiệu quả. Thỉnh thoảng nó được sử dụng trong thú y kết hợp với các loại thuốc khác để gây gây mê.

Các dẫn xuất carbamat 
Một số dẫn xuất carbamat được sử dụng trong dược trị học ở người:

 Nhóm chất ức chế acetylcholinesterase bao gồm neostigmine và rivastigmine, cả hai đều có cấu trúc hóa học dựa trên alkaloid tự nhiên physostigmine.
 Thuốc an thần, an thần-gây ngủ và thuốc giãn cơ, meprobamat (tên thương mại Miltown) đã được kê đơn phổ biến từ những năm 1950 đến 1970.
 Soma (carisoprodol) là một chất ức chế thần kinh trung ương và là một tiền thuốc của meprobamat; ban đầu nó hoạt động chủ yếu như một thuốc giãn cơ an thần nhẹ và thuốc giảm đau cơ; sau 2-3 giờ, 20-30% liều ban đầu chuyển hóa thành chất chuyển hóa có hoạt tính meprobamat, hoạt động hiệp đồng cùng nhau để tăng cường tác dụng an thần, giãn cơ và giảm đau hiện có.
 Valmid hoặc Valamin là một dẫn xuất carbamat có tên hóa học là ethinamat. Nó đã bị rút khỏi thị trường ở Hoa Kỳ và Hà Lan vào khoảng năm 1990.
 Chất ức chế protease darunavir dùng để điều trị HIV cũng chứa một nhóm chức carbamat.
 Ephedroxan, một chất tương tự aminorex được sử dụng như một chất kích thích, cũng thuộc danh mục carbamat.
 Felbamat là một thuốc chống co giật được sử dụng trong điều trị động kinh, với nguy cơ cao gây thiếu máu bất sản có thể gây tử vong và/hoặc suy gan, làm hạn chế việc sử dụng thuốc này trong các trường hợp động kinh kháng thuốc nghiêm trọng.

Độc tính 

Bên cạnh việc ức chế acetylcholinesterase của con người (mặc dù ở mức độ thấp hơn so với enzyme của côn trùng), thuốc trừ sâu carbamat cũng nhắm mục tiêu vào các thụ thể melatonin của con người. Các ảnh hưởng của carbamat đối với sức khỏe con người đã được ghi nhận rõ ràng trong danh sách các hợp chất được biết đến là chất gây rối loạn nội tiết. Các hiệu ứng lâm sàng của việc tiếp xúc với carbamat có thể thay đổi từ độc tính nhẹ đến độc tính cao tùy thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm liều lượng và con đường tiếp xúc, trong đó việc nuốt và hít phải dẫn đến các triệu chứng lâm sàng nhanh nhất. Những biểu hiện lâm sàng của ngộ độc carbamat bao gồm các dấu hiệu giống ngộ độc muscarin, nicotin và, trong một số trường hợp hiếm, là các dấu hiệu liên quan đến hệ thần kinh trung ương.

Các chất tương tự lưu huỳnh 
Có hai nguyên tử oxy trong một carbamat (1), ROC(=O)NR2, và một hoặc cả hai nguyên tử này về mặt khái niệm có thể được thay thế bằng lưu huỳnh. Các chất tương tự của carbamat chỉ có một oxy được thay thế bằng lưu huỳnh được gọi là thiocarbamat (2 và 3). Các carbamat có cả hai nguyên tử oxy được thay thế bằng lưu huỳnh được gọi là dithiocarbamat (4), RSC(=S)NR2.

Có hai loại thiocarbamat có đồng phân cấu trúc khác nhau:
O-thiocarbamat (2), ROC(=S)NR2, trong đó nhóm carbonyl (C=O) được thay thế bằng nhóm thiocarbonyl (C=S)
S-thiocarbamat (3), RSC(=O)NR2, trong đó nhóm R–O– được thay thế bằng nhóm R–S–

O-thiocarbamat có thể đồng phân hóa thành S-thiocarbamat, ví dụ trong chuyển vị Newman–Kwart.

Từ nguyên 
Từ nguyên của các từ "urethane" và "carbamate" rất tương đồng nhưng không hoàn toàn giống nhau. Từ "urethane" lần đầu tiên được đặt ra vào năm 1833 bởi nhà hóa học người Pháp Jean-Baptiste Dumas. Dumas cho biết: "Urethane. Chất ether mới này, khi tiếp xúc với amoniac lỏng và đậm đặc, tạo ra một phản ứng mạnh đến mức hỗn hợp sôi lên, và thỉnh thoảng thậm chí còn gây ra một loại tiếng nổ. Nếu amoniac dư, toàn bộ ether sẽ biến mất. Nó tạo thành amoni hydrochlorate và một chất mới với các đặc tính thú vị." Dumas dường như đang đặt tên cho hợp chất này là urethane. Tuy nhiên, sau đó Dumas tuyên bố: "Trong khi chờ đợi các ý kiến thống nhất về bản chất của vật thể này, tôi đề xuất gọi tên hai vật liệu mà tôi vừa nghiên cứu là urethane và oxamethane, và tôi coi chúng là các loại hình của một họ mới trong số các chất có chứa nito. Những cái tên này, theo quan điểm của tôi, không phán xét bất cứ điều gì về vấn đề alcohol và ether, ít nhất sẽ có lợi thế là làm hài lòng những nhà hóa học vẫn từ chối chấp nhận lý thuyết của chúng tôi." Từ urethane có nguồn gốc từ các từ "urea" (ure) và "ether" với hậu tố "-ane" như một hậu tố hóa học chung, làm cho nó cụ thể cho cấu trúc liên kết R2NC(=O)OR' (với R' khác H).

Việc sử dụng từ "carbamate" dường như xuất hiện muộn hơn, chỉ có thể được truy nguyên ít nhất là từ năm 1849, trong một mô tả về công trình của Dumas bởi Henry Medlock. Medlock cho biết: "Mọi người đều biết rằng tác dụng của amoniac lên chloro-carbonat (phosgene) của ethyl làm phát sinh sự hình thành chất mà Dumas, người khám phá, gọi là urethan, và chất mà hiện nay chúng ta có thói quen coi là ether của acid carbamic." Điều này gợi ý rằng thay vì tiếp tục với quy ước đặt tên họ urethan mà Dumas đã đặt ra, họ đã thay đổi quy ước đặt tên thành ethyl ether của acid carbamic. Carbamate có nguồn gốc từ các từ "carbamide" (còn được gọi là ure) và "-ate", một hậu tố dùng để chỉ muối hoặc ester của một acid.

Cả hai từ đều có gốc bắt nguồn từ urea. Carbamate ít cụ thể hơn vì hậu tố -ate mơ hồ, có thể dùng cho cả muối hoặc ester của một acid carbamic. Tuy nhiên, hậu tố -ate cũng cụ thể hơn vì nó gợi ý rằng carbamate phải được dẫn xuất từ acid carbamate, hay các acid carbamic. Mặc dù một urethan có cấu trúc hóa học giống như một phần ester carbamat, nhưng một urethan không được dẫn xuất từ acid carbamic thì không phải là ester carbamat. Nói cách khác, bất kỳ quá trình tổng hợp phần R2NC(=O)OR' (với R' khác H) nào không bắt nguồn từ các acid carbamic thì không phải là ester carbamat mà thay vào đó là một urethan. Hơn nữa, các ester carbamat là các urethan nhưng không phải tất cả các urethan đều là ester carbamat. Điều này cho thấy thêm rằng các polyurethan không chỉ đơn thuần là các ester polycarbamate vì các polyurethan thường không được tổng hợp bằng acid carbamic.

IUPAC cho biết "Các ester thường được gọi là urethan, một cách sử dụng chỉ đúng nghiêm ngặt đối với các ester ethyl." Nhưng cũng tuyên bố: "Một thuật ngữ thay thế cho các hợp chất R2NC(=O)OR' (với R' khác H), là ester của các acid carbamic, R2NC(=O)OH, theo cách sử dụng nghiêm ngặt chỉ giới hạn ở các ester ethyl, nhưng được sử dụng rộng rãi theo nghĩa tổng quát". IUPAC đưa ra những tuyên bố này mà không có trích dẫn.

Xem thêm 
 Methyl carbamat
 Ethyl carbamat
 Polyurethan
 Chất ức chế cholinesterase

Tham khảo 

Nhóm chức