Karboxamid

Amid alebo karboxamid je zlúčenina so všeobecným vzorcom RC(=O)NR'R", kde R, R' a R" predstavujú organické skupiny alebo atómy vodíka. Amidová skupina sa nazýva peptidovou väzbou, ak je súčasťou hlavného reťazca proteínu, a izopeptidovou väzbou, keď je tvorená väzbou v bočnom reťazci, ako napríklad v aminokyselinách asparagín a glutamín. Amidy možno považovať za funkčné deriváty karboxylových kyselín, RC(=O)OH, u ktorých je hydroxylová skupina –OH nahradená amínovou skupinou −NR′R″. Ekvivalentne sa dá popísať ako acylová (alkánoylová) skupina RC(=O)- pripojená k amínovej skupine. Jadro −C(=O)N= amidov sa nazýva amidová skupina (konkrétne karboxamidová skupina).
Amidy sa označujú ako primárne, sekundárne alebo terciárne podľa toho, koľko vodíkov je na viazaných na amínovej podskupine. Primárne amidy majú tvar , sekundárne -NHR a terciárne -NRR', kde R a R' sú skupiny iné ako vodík.
Medzi bežné príklady amidov patria acetamid , benzamid a dimetylformamid . Amidy sú všadeprítomné v prírode i technológii. Proteíny a dôležité plasty ako nylony, aramid, twaron a kevlar sú polyméry, ktorých jednotky sú spojené amidovými skupinami (sú to teda polyamidy). Tieto väzby sa ľahko vytvárajú, dodávajú štrukturálnu tuhosť a odolávajú hydrolýze. Amidy zahŕňajú mnoho ďalších dôležitých biologických zlúčenín, ako sú mnohé lieky, napríklad paracetamol a penicilín, či omamné látky, napríklad LSD. Nízkomolekulárne amidy, ako je dimetylformamid, sú bežné rozpúšťadlá.
Názvoslovie.
V obvyklom názvosloví sa pridáva výraz „amid“ ku kmeňu názvu materskej kyseliny. Napríklad amid odvodený od kyseliny octovej sa nazýva acetamid (acetyl + amid, . IUPAC odporúča názov etánamid, ale tento a ďalšie súvisiace formálne názvy sa vyskytujú zriedkavo. Keď je amid odvodený od primárneho alebo sekundárneho amínu, substituenty na dusíku sú uvedené v názve ako prvé. To znamená, že amid vytvorený z dimetylamínu a kyseliny octovej sa nazýva "N,N"-dimetylacetamid (, kde Me = ). „"N,N"“ naznačuje, že obe metylové skupiny sú viazané na dusík amidovej skupiny. Tento názov sa zvyčajne zjednodušuje na dimetylacetamid.
Ak je v zlúčenine skupina s vyššou prioritou, je možné použiť predponu karbamoyl-, ako je to v prípade karbamoylfosfátu.
Cyklické amidy sa nazývajú laktámy a vždy sú to sekundárne alebo terciárne amidy.
Vlastnosti.
Väzba.
Voľný elektrónový pár na atóme dusíka je delokalizovaný na karbonylovú skupinu, čím sa vytvorí čiastočná dvojitá väzba medzi dusíkom a uhlíkom. V skutočnosti majú atómy O, C a N molekulové orbitály obsadené delokalizovanými elektrónmi, ktoré tvoria konjugovaný systém. V dôsledku toho nie sú väzby dusíka v amidoch tetraédrické (ako v amínoch), ale planárne. Toto obmedzenie bráni rotácii okolo C-N väzby a má teda dôležité dôsledky na mechanické vlastnosti týchto látok, ako aj na konfiguračné vlastnosti makromolekúl vytvorených takýmito väzbami. Neschopnosť rotácie odlišuje amidové skupiny od esterových skupín, ktoré umožňujú rotáciu a tým vytvárajú flexibilnejšie zlúčeniny.
Štruktúru amidu možno opísať aj ako rezonanciu medzi dvoma alternatívnymi štruktúrami:
Odhaduje sa, že v prípade acetamidu má štruktúra A podiel na celkovej štruktúre až 62 %, zatiaľ čo štruktúra B predstavuje 28 %. (Súčet týchto čísel nie je 100 %, pretože existujú aj ďalšie menej dôležité rezonančné štruktúry, ktoré nie sú znázornené na obrázku vyššie). Medzi atómami vodíka a dusíka rôznych molekúl je tiež prítomná vodíková väzba. Vo veľmi stéricky napätom chinuklidóne sa rezonancii do značnej miery zabráni.
Zásaditosť.
V porovnaní s amínmi sú amidy veľmi slabé zásady. Zatiaľ čo konjugovaná kyselina amínu má p"K"a asi 9,5, konjugovaná kyselina amidu má p"K"a okolo -0,5. Amidy preto nemajú tak zreteľne viditeľné acidobázické vlastnosti vo vode. Tento relatívny nedostatok zásaditosti sa vysvetľuje odoberaním elektrónov z amínu karbonylovou skupinou. Na druhej strane, amidy sú oveľa silnejšie zásady ako karboxylové kyseliny, estery, aldehydy a ketóny (p"Ka" ich konjugovaných kyselín sú medzi -6 a -10).
Protón primárneho alebo sekundárneho amidu sa za normálnych podmienok nedisociuje ľahko, jeho p"K"a je zvyčajne vysoko nad 15. Naopak, v extrémne kyslých podmienkach môže byť karbonylový kyslík protónovaný s p"K"a približne -1. Nie je to len kvôli kladnému náboju dusíka, ale aj zápornému náboju kyslíka získanému rezonanciou.
Vodíková väzba a rozpustnosť.
Kvôli väčšej elektronegativite kyslíka je karbonyl (C=O) silnejší dipól ako N–C dipól. Prítomnosť dipólu C=O a v menšej miere dipólu N–C umožňuje amidom pôsobiť ako akceptory vodíkových väzieb. V primárnych a sekundárnych amidoch umožňuje amidom prítomnosť N-H dipólov fungovať aj ako donory vodíkovej väzby. Amidy sa teda môžu podieľať na vodíkových väzbách s vodou a inými protickými rozpúšťadlami. Atóm kyslíka môže prijímať vodíkové väzby z vody (alebo iného protického rozpúšťadla) a atómy vodíka N-H môžu poskytovať vodíkové väzby. V dôsledku týchto interakcií je rozpustnosť amidov vo vode väčšia ako rozpustnosť odpovedajúcich uhľovodíkov. Tieto vodíkové väzby majú tiež dôležitú úlohu v sekundárnej štruktúre proteínov.
Rozpustnosti amidov a esterov sú zhruba porovnateľné. Typicky sú amidy menej rozpustné ako porovnateľné amíny a karboxylové kyseliny, pretože tieto zlúčeniny môžu darovať aj prijímať vodíkové väzby. Terciárne amidy majú nízku rozpustnosť vo vode, s dôležitou výnimkou "N","N-"dimetylformamidu.
Charakterizácia.
Prítomnosť amidovej skupiny –C(=O)N= je vo všeobecnosti ľahké stanoviť, aspoň v malých molekulách. V IČ spektrách sa dá táto skupina odlíšiť od nitro a kyanoskupín. Amidy vykazujú stredne intenzívny pás "v"CO blízko 1650 cm-1. Pri 1H NMR spektroskopii vznikajú CONHR signály pri slabých poliach. V röntgenovej kryštalografii definujú C(=O)N centrum a tri bezprostredne susediacie atómy rovinu.
Reaktivita.
Amidy podliehajú mnohým chemickým reakciám, aj keď sú menej reaktívne ako estery. Amidy hydrolyzujú v horúcich alkalických zásadách, ako aj v silne kyslých podmienkach. Kyslé podmienky poskytujú karboxylovú kyselinu a amónny ión, zatiaľ čo zásaditá hydrolýza poskytuje karboxylátový ión a amoniak. Protonizácia vznikajúceho amínu za kyslých podmienok a deprotonácia vznikajúcej karboxylovej kyseliny za zásaditých podmienok robí tieto procesy nekatalytickými a nevratnými. Amidy sú tiež všestrannými prekurzormi mnohých ďalších funkčných skupín. Elektrofily reagujú s karbonylovým kyslíkom. Tento krok často predchádza hydrolýze, ktorá je katalyzovaná Bronstedovými aj Lewisovými kyselinami. Je známe, že enzýmy (napr. peptidázy) a umelé katalyzátory urýchľujú hydrolytické reakcie.
Syntéza.
Existuje mnoho metód syntézy amidov.
Amidy sa môžu pripraviť reakciou karboxylovej kyseliny s amínom. Priama reakcia vo všeobecnosti vyžaduje vysoké teploty na vytlačenie vody:
Mnohé metódy zahŕňajú „aktiváciu“ karboxylovej kyseliny jej premenou na lepší elektrofil, napríklad ester, acylchlorid (Schotten-Baumannova reakcia) alebo anhydrid (Lumière-Barbierova metóda). Konvenčné metódy syntézy peptidov využívajú kopulačné činidlá, ako sú HATU, HOBt alebo PyBOP. Pre špecializované aplikácie boli vyvinuté rôzne činidlá, napr tris(2,2,2-trifluóretyl)boritan.
Iné metódy.
Dehydrogenatívna acylácia amínov je katalyzovaná organoruténiovými zlúčeninami:
Reakcia prebieha jednou dehydrogenáciou alkoholu na aldehyd, po ktorej nasleduje tvorba hemiaminálu, ktorý podlieha druhej dehydrogenácii za vzniku amidu. Eliminácia vody v hemiamináli na imín nie je pozorovaná.
Transamidácia je zvyčajne veľmi pomalá, ale urýchľuje sa Lewisovou kyselinou a organokovovými katalyzátormi:
Primárne amidy (RC(O)NH2) sú pre túto reakciu vhodnejšie.