Αμίδια

Ένα αμίδιο, (amide, acid amide), είναι μια ένωση με τη χαρακτηριστική ομάδα RnE(O)xNR'2 (R και R' αναφέρονται σε Η ή οργανικές ομάδες). Τα πιο συνηθισμένα είναι τα οργανικά αμίδια (n = 1, E = C, x = 1), αλλά πολλοί άλλοι σημαντικοί τύποι αμιδίων είναι γνωστοί συμπεριλαμβανομένων των φωσφοραμιδίων (n = 2, E = P, x = 1 και πολλών σχετικών τύπων) και των σουλφοναμιδίων (E = S, x= 2). Ο όρος αμίδιο αναφέρεται και για την τάξη των ενώσεων και για την χαρακτηριστική ομάδα (RnE(O)xNR'2) μέσα σε αυτές τις ενώσεις.

Ο όρος αμίδιο μπορεί επίσης να αναφέρεται στη συζυγή βάση της αμμωνίας (το ανιόν H2N−) ή σε μια οργανική αμίνη (ένα ανιόν R2N−).

Το υπόλοιπο αυτού του άρθρου είναι σχετικά με την έννοια του αμιδίου καρβονυλίου-αζώτου.

Δομή και δεσμοί
Τα πιο απλά αμίδια είναι παράγωγα της αμμωνίας όπου ένα άτομο υδρογόνου έχει αντικατασταθεί από μια ομάδα ακυλίου. Το σύνολο αναπαριστάνεται γενικά ως RC(O)NH2. Στενά συσχετισμένα και ακόμα πιο πολυάριθμα είναι τα αμίδια που παράγονται από τις πρωτοταγείς αμίνες (R'NH2) με τον τύπο RC(O)NHR'. Τα αμίδια παράγονται επίσης συχνά από δευτεροταγείς αμίνες (R'R''NH) με τον τύπο RC(O)NR'R''. Τα αμίδια θεωρούνται συνήθως ως παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων στα οποία το υδροξύλιο έχει αντικατασταθεί από μια αμίνη ή αμμωνία.

Το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων στο άζωτο είναι απεντοπισμένο στο καρβονύλιο, σχηματίζοντας συνεπώς έναν μερικό διπλό δεσμό μεταξύ N και του καρβονυλίου του άνθρακα. Συνεπώς το άζωτο στα αμίδια δεν είναι πυραμιδικό. Εκτιμάται ότι το ακεταμίδιο περιγράφεται από δομή μεσομέρειας A για 62% και από B για 28%.

Ονοματολογία

Στη συνηθισμένη ονοματολογία, προστίθεται ο όρος «αμίδιο» στο θέμα του ονόματος του γονικού οξέος. Παραδείγματος χάρη, το αμίδιο που παράγεται από το αιθανικό οξύ (ή οξικό οξύ) ονομάζεται αιθαναμίδιο (ή ακεταμίδιο) (CH3CONH2). Η IUPAC συνιστά την ονομασία αιθαναμίδιο. Όταν το αμίδιο παράγεται από μια πρωτοταγή ή δευτεροταγή αμίνη, οι υποκαταστάτες του αζώτου εμφανίζονται πρώτα στο όνομα. Συνεπώς, το αμίδιο που σχηματίζεται από Ν-μεθυλομεθαναμίνη (διμεθυλαμίνη) και αιθανικό οξύ είναι N,N-διμεθυλακεταμίδιο (CH3CONMe2, όπου Me = CH3). Συνήθως και αυτό το όνομα απλοποιείται σε διμεθυλακεταμίδιο. Τα κυκλικά αμίδια λέγονται λακτάμες· είναι κατ' ανάγκη δευτεροταγή ή τριτοταγή αμίδια. Οι χαρακτηριστικές ομάδες που αποτελούνται από -P(O)NR2 και -SO2NR2 είναι φωσφαναμίδια και σουλφαναμίδια, αντίστοιχα.

Ιδιότητες

Βασικότητα
Συγκρινόμενα με τις αμίνες, τα αμίδια είναι πολύ ασθενείς βάσεις. Ενώ το συζυγές οξύ μιας αμίνης έχει pKa περίπου 9,5, το συζυγές οξύ ενός αμιδίου έχει μια pKa περίπου −0,5. Συνεπώς τα αμίδια δεν έχουν τόσο σαφώς παρατηρήσιμες ιδιότητες αντίδρασης οξέος-βάσης στο νερό. Αυτή η σχετική έλλειψη βασικότητας εξηγείται από τη φύση της απομάκρυνσης των ηλεκτρονίων του καρβονυλίου, όπου το μονήρες ζεύγος των ηλεκτρονίων στο άζωτο είναι απεντοπισμένο από τη μεσομέρεια. Αφ' ετέρου, τα αμίδια είναι πολύ πιο ισχυρές βάσεις από τα καρβοξυλικά οξέα, τους εστέρες, τις αλδεΰδες και τις κετόνες (συζυγή οξέα με pKa μεταξύ −6 και −10). Εκτιμάται σε προσομοίωση ότι το αιθαναμίδιο αναπαριστάνεται από δομή μεσομέρειας A κατά 62% και από B κατά 28%. Η μεσομέρεια αποτρέπεται κατά πολύ στην πολύ τεταμένη κινουκλιδόνη (quinuclidone).

Λόγω της μεγαλύτερης ηλεκτραρνητικότητας του οξυγόνου, το καρβονύλιο (C=O) είναι πιο ισχυρό δίπολο από το δίπολο N–C. Η παρουσία ενός διπόλου C=Ο και σε μικρότερο βαθμό ενός διπόλου N–C, επιτρέπουν στα αμίδια να δρουν ως δέκτες δεσμού H. Στα πρωτοταγή και δευτεροταγή αμίδια, η παρουσία διπόλων N–Η επιτρέπει στα αμίδια να λειτουργούν ως δότης δεσμού H, επίσης. Συνεπώς τα αμίδια μπορούν να συμμετέχουν σε δεσμούς υδρογόνου με νερό και άλλους πρωτικούς διαλύτες· το άτομο οξυγόνου μπορεί να δεχθεί δεσμούς υδρογόνου από το νερό και τα άτομα υδρογόνου του N–Η μπορούν να δώσουν δεσμούς H. Ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων όπως αυτές, η διαλυτότητα στο νερό των αμιδίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των αντίστοιχων υδρογονανθράκων.

Το πρωτόνιο ενός πρωτοταγούς ή δευτεροταγούς αμιδίου δεν διίσταται εύκολα κάτω από κανονικές συνθήκες· το pKa είναι συνήθως αρκετά πάνω από 15. Αντίθετα, κάτω από εξαιρετικά όξινες συνθήκες, το καρβονυλικό οξυγόνο μπορεί να πρωτονιωθεί με ένα pKa χοντρικά −1.

Διαλυτότητα
Οι διαλυτότητες των αμιδίων και των εστέρων είναι χοντρικά συγκρίσιμες. Συνήθως, τα αμίδια είναι λιγότερο διαλυτά από τις παρόμοιες αμίνες και τα καρβοξυλικά οξέα, αφού αυτές οι ενώσεις μπορούν και να δώσουν και να δεχθούν δεσμούς υδρογόνου. Τα τριτοταγή αμίδια, με τη σημαντική εξαίρεση του N,N-διμεθυλοφορμαμίδιου, εμφανίζουν χαμηλή διαλυτότητα στο νερό.

Χαρακτηρισμός
Η παρουσία μιας χαρακτηριστικής ομάδας επιτυγχάνεται γενικά εύκολα, τουλάχιστον στα μικρά μόρια. Είναι οι πιο συνηθισμένες μη βασικές χαρακτηριστικές ομάδες. Μπορούν να διακριθούν από τη νιτρομάδα και την κυανομάδα από τα υπέρυθρα φάσματα τους. Τα αμίδια εμφανίζουν μιας μέτριας έντασης νCO ζώνη κοντά στα 1650 cm−1. Με φασματοσκοπία NMR 1H, σήματα CONHR  εμφανίζονται στα χαμηλά πεδία. Στην κρυσταλλογραφία με ακτίνες X, το C(O)N κεντράρει μαζί με τα τρία αμέσως γειτονικά άτομα ορίζοντας χαρακτηριστικά ένα επίπεδο.

Εφαρμογές και εμφάνιση
Τα αμίδια είναι διάχυτα στη φύση και την τεχνολογία ως δομικά υλικά. Ο δεσμός του αμιδίου σχηματίζεται εύκολα, παρέχει δομική ακαμψία και αντιστέκεται στην υδρόλυση. Τα νάιλον είναι πολυαμίδια, όπως είναι τα πολύ ελαστικά υλικά αραμίδιο (aramid), τουαρόν (Twaron), and κέβλαρ (Kevlar). Οι δεσμοί αμιδίου συνιστούν ένα καθορισμένο μοριακό γνώρισμα των πρωτεϊνών, η δευτεροταγής δομή των οποίων οφείλεται μερικώς στις δυνατότητες του δεσμού υδρογόνου των αμιδίων. Οι αμιδικοί δεσμοί σε βιοχημικό περιεχόμενο ονομάζονται πεπτιδικοί δεσμοί όταν εμφανίζονται στην κύρια αλυσίδα μιας πρωτεΐνης και ισοπεπτιδικοί δεσμοί όταν εμφανίζονται σε μια πλευρική αλυσίδα της πρωτεΐνης. Οι πρωτεΐνες μπορεί να έχουν δομικούς ρόλους, όπως στην τρίχα ή στο μετάξι της αράχνης, αλλά επίσης σχεδόν όλα τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες. Αμίδια χαμηλής μοριακής μάζας, όπως το διμεθυλομεθαναμίδιο (HC(O)N(CH3)2), είναι συνηθισμένοι διαλύτες. Πολλά φάρμακα είναι αμίδια, συμπεριλαμβανομένων της πενικιλίνης και του LSD. Επιπλέον, φυτά N-αλκυλαμιδίων έχουν μια πλατιά περιοχή βιολογικών λειτουργιών.

Σύνθεση αμιδίων
Τα αμίδια σχηματίζονται συνήθως μέσα από αντιδράσεις ενός καρβοξυλικού οξέος με μια αμίνη. Πολλές μέθοδοι είναι γνωστές για να οδηγήσουν την μη ευνοϊκή ισορροπία προς τα δεξιά:
RCO2Η + R'R"NH  RC(O)NR'R" + H2O
Για το μεγαλύτερο μέρος, αυτές οι αντιδράσεις περιέχουν «ενεργοποίηση» του καρβοξυλικού οξέος και η καλύτερη γνωστή μέθοδος, η αντίδραση Σότεν-Μπάουμαν (Schotten-Baumann reaction), που εμπεριέχει μετατροπή του οξέος σε ακυλοχλωρίδια:

Άλλες μέθοδοι
Η φαινομενικά απλή άμεση αντίδραση μεταξύ μιας αλκοόλης και μιας αμίνης προς ένα αμίδιο δεν δοκιμάστηκε μέχρι το 2007, όταν ένας ειδικός καταλύτης με βάση το ρουθήνιο αναφέρθηκε να είναι αποτελεσματικός σε μια αποκαλούμενη αφυδρογονωτική ακυλίωση:

Η δημιουργία αέριου υδρογόνου αντισταθμίζει την μη ευνοϊκή θερμοδυναμική. Η αντίδραση πιστεύεται ότι προχωρά με μια αφυδρογόνωση της αλκοόλης προς αλδεΰδη, ακολουθούμενη από τον σχηματισμό μιας ημιαμινάλης και μετά από μια δεύτερη αφυδρογόνωση προς αμίδιο. Η απόσπαση του νερού στην ημιαμινάλη προς ιμίνη δεν παρατηρείται.

Αντιδράσεις αμιδίων 
Τα αμίδια υφίστανται πολλές χημικές αντιδράσεις, συνήθως μέσω μιας προσβολής στο καρβονύλιο που σπάει το διπλό δεσμό του καρβονυλίου και σχηματίζει ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο προϊόν. Οι θειόλες, τα υδροξύλια και οι αμίνες είναι γνωστές στη χρήση τους ως πυρηνόφιλα. Λόγω της σταθεροποίησης μεσομέρειας τους, τα αμίδια είναι λιγότερο δραστικά κάτω από φυσιολογικές συνθήκες από τους εστέρες. Τα ένζυμα, π.χ. οι πεπτιδάσες ή τεχνητοί καταλύτες, είναι γνωστό ότι επιταχύνουν τις αντιδράσεις υδρόλυσης. Μπορούν να υδρολυθούν σε θερμά αλκάλια, καθώς και σε ισχυρές όξινες συνθήκες. Οι όξινες συνθήκες δίνουν καρβοξυλικό οξύ και το ιόν αμμωνίου, ενώ η βασική υδρόλυση δίνει καρβοξυλικό ιόν και αμμωνία. Τα αμίδια είναι επίσης πολύπλευρες πρόδρομες ενώσεις για πολλές άλλες χαρακτηριστικές ομάδες.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
Amide synthesis (coupling reaction) – Synthetic protocols from organic-reaction.com
IUPAC Compendium of Chemical Terminology