31.3.2020
1
Ústav chemických léčiv, Farmaceutická fakulta VFU,
Palackého 1/3, 642 12 Brno
Doc. Ing. Pavel Bobáľ, CSc.
Organická chemie
19. Sloučeniny dusíku
2
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
2
Úvod
Aminy
R1
NH
R2
R1
N
R2
R3
Amoniové soli
Nitrosloučeniny
Nitrososloučeniny
R N
O
Azidy
Azosloučeniny
Azoxysloučeniny
R N
N R
O
Hydrazosloučeniny
Hydraziny
Hydroxylaminy
3
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
3
Úvod
Hydrazony
R R(H)
N
NH2
Oximy
Nitrily
Isonitrily
Amidy
Hydrazidy
Acylazidy
Hydroxamové
kyseliny
Diazoniové soli
Diazosloučeniny
4
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
Výskyt v přírodě
4
Aminy: Úvod
N
trimethylamin
N
N
H
nikotin
N
H
O
H
COOCH3
O
kokain
31.3.2020
2
5
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
- primární, sekundární a terciární aminy
5
Názvosloví aminů
CH3
H3C
CH3
OH
terc-butylalkohol
(terciární alkohol)
CH3
H3C
CH3
NH2
terc-butylamin
(primární amin)
H
NH
H
H
NH3C
H
CH3
NH3C
H
CH3
NH3C
CH3
CH3
NH3C
CH3
CH3
+
Clamoniak
methylamin
(primární amin)
dimethylamin
(sekundární amin)
trimethylamin
(terciární amin)
tetramethylamonium chlorid
(kvarterní amoniová sůl)
!
- sufix – amin
- prefix – amino-
6
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
6
Názvosloví aminů
CH3
H3C
CH3
NH2
terc-butylamin
(primární amin)
NH2
cyklohexylamin
(primární amin)
NH2
4,4-dimethylcyklohexylamin
(primární amin)
H2N
NH2
butan-1,4-diamin
O
H
NH2
O
2-aminobutanova
kyselina
COOH
NH2
NH2
2,4-diaminobenzoova
kyselina
NH2
O
3-aminopentan-2-on
H
N
difenylamin
(sekundární amin)
N
triethylamin
7
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
7
Názvosloví aminů
N
N,N-dimethylpropylamin
(terciární amin)
N
N-ethyl-N-methylcyklohexylamin
(terciární amin)
NH2 NH2
anilin o-toluidin
H
N
pyrrolidin
H
N
piperidin morfolin piperazin
O
H
N
N
H
H
N
H
N
N
H
N
N
H
N N N
pyrrol pyrazol imidazol pyridin chinolin
H
N
indol
N
N
N
H
N
purin
Heterocyklické aminy
8
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
Rychlá inverze pyramidy
8
Struktura aminů
N
CH3H3C
H3C
sp3-
hybridizovaný
trimethylamin
N
Z
X
Y
N
Z
X
Y
N
Y X
Z
25 kJ.mol-1
31.3.2020
3
9
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
9
Vlastnosti a zdroje aminů
O
O
O
OH
N
H
propranolol
H2N
NH3 + CH3OH CH3NH2 + CH3NHCH3 + CH3N(CH3)2
Al2O3
450 °C
N
H
N
H
N
H
N
H
N
H
R R' R R' R R'
RR'RR'
- intermolekulární vodíkové vazby
N
H
diethylamin, Mr = 73,1
t.v. 56,3 °C
pentan, Mr = 72,1
t.v. 36,1 °C
10
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
Bazické vlastnosti
10
Bazicita aminů
N + H A N +H A
Aminy
x amidy
O
N
H
H
O
N
H
H
+
NH2
NH2 NH2
-
+
NH2
+
-
NH2
-
+
Aromatické aminy
11
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
11
Bazicita substituovaných arylaminů
Gibbsovaenergie
NH2 NH3
+
H+
12
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
12
Syntéza aminů
RX RCN
NaCN 1. LiAlH4, ether
2. H2O
primární amin
RCH2NH2
R
1. SOCl2 1. LiAlH4, ether
2. H2O
primární amin
RCH2NH2
O
NH2R
O
OH
2. NH3
NO2
CHO
NH2
CHO
1. SnCl2, H3O+
2. NaOH, H2O
H2, Pd/C (Pt, Raney Ni)
31.3.2020
4
13
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
13
Syntéza aminů
+ R X
SN2
RNH3
+
X- NaOH
RNH2 primární
+ R X
SN2
R2NH2
+
X
- NaOH
R2NH sekundárníRNH2
+ R X
SN2
R3NH+
X
- NaOH
R3N terciárníR2NH
+ R X
SN2
R4N+
X
kvarterní
amoniová sůlR3N
NH3
Br NH3+ NH2 + NH
2
N
3
+ N+
Br
-
4
14
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
14
Syntéza aminů z azidů
Br
N NH2
N
N
+
-
1-brom-2-fenylethan 2-fenylethylazid 2-fenylethylamin
ethanol
1. LiAlH4, ether
2. H2O
NaN3
15
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
15
Syntéza aminů: Gabrielova syntéza
NH
O
O
N
O
O
KOH
ethanol
K
+-
N
O
O
RX
DMF
R + KX
OH, H2O
-
COO
COO
-
-
+NH2R
16
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
16
Syntéza aminů: Reduktivní aminace aldehydů a ketonů
O NH2H
+ H2O
NH3
H2/Ni
fenylpropan-2-on amfetamin
O NH2HO
NH3
- H2O
NH
H2/Ni
NH2H
31.3.2020
5
17
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
17
Syntéza aminů: Reduktivní aminace aldehydů a ketonů
O
R'R
R'R
H NHR''
R'R
H NR''2
R'R
H NH2
NH3
H2/kat.
R''NH2
H2/kat.
R''2NH
H2/kat.
18
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
18
Syntéza aminů:
Hofmannovo, Curtiovo a Lossenovo odbourávání
O
NH2R
NH2
R
NaOH, Br2
H2O
+ CO2
O
NR
NH2
R
zahřívání
H2O
N N
+ - + CO2 + N2
Hofmannovo odbourávání
Curtiovo odbourávání
Lossenovo odbourávání
19
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
19
Syntéza aminů:
Hofmannovo, Curtiovo a Lossenovo odbourávání
Hofmannovo odbourávání
O
C
NR
H
H
OH
-
-
O
C
NR
H
- H2O
Br Br O
C
NR
H
Br
OH
-
H2O- Br-
-
O
C
NR
Br
-
O
C
NR
Br
O C N
R
H2O
- Br-
O
C
NO
R
H
H
N
R
H
H
- CO2
bromamid
isokyanátkarbamová
kyselina
20
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
20
Syntéza aminů:
Hofmannovo, Curtiovo a Lossenovo odbourávání
Curtiovo odbourávání
O
C
NR
zahřívání
N N
+ -
O
C
ClR
NaN3
O
C
NR N N
+-
N2
O C N
R
H2O
O
C
NO
R
H
H
N
R
H
H
- CO2
isokyanátkarbamová
kyselina
acylazidacylchlorid
amin
31.3.2020
6
21
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
21
Syntéza aminů:
Hofmannovo, Curtiovo a Lossenovo odbourávání
Lossenovo odbourávání
O
N
H
R
2. H2O
např. CDI, MeCN
OH
1. dehydratace
N
R
H
H
- CO2
amin
O C N
R
isokyanát
H2O
O
C
NO
R
H
H
karbamová
kyselina
22
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
22
Reakce aminů: Alkylace a acylace
O
C
ClR
pyridin
acylchlorid
NH3+
O
C
NR HCl+
amid
O
C
ClR
pyridin
acylchlorid
R'NH2+
O
C
NR HCl+
amid
H
H
R'
H
O
C
ClR
pyridin
acylchlorid
R'2NH+
O
C
NR HCl+
amid
R'
R'
23
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
- kvarterní amoniová sůl
23
Reakce aminů: Amoniové soli - Hofmannova eliminace
NH2 N
+ I
-CH3I
N+
Ag2O, H2O
zahřívání
hexyl(trimethyl)amonium-jodidhexylamin
hex-1-en
H
N(CH3)3
+
E2
H2O + N(CH3)3+
HO
-
24
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
- proti Zajcevovu pravidlu
24
Reakce aminů: Amoniové soli - Hofmannova eliminace
N
+
HO
-
H
H
H
H H
+
(1-methylbutyl)trimethylamonium-
-hydroxid
pent-1-en (94 %) pent-2-en (6 %)
více bráněný méně bráněný
31.3.2020
7
25
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
25
Reakce arylaminů: Elektrofilní aromatická substituce
NH2 NH2
BrBr
Br
Br2
H2O
NH2 HN
(CH3CO)2O
pyridin
O
HN
Br
O
Br2
NH2
Br
NaOH
CH3COO
p-toluidin
2-brom-4-methyl-
anilin
26
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
26
Reakce arylaminů: Elektrofilní aromatická substituce
NH2 HN
(CH3CO)2O
pyridin
O
HN
O
C6H5COCl
NH2
NaOH
CH3COO
-
anilin
4-aminobenzofenon
AlCl3
O O
acetanilid
NH2 HN
(CH3CO)2O
pyridin
O
HN
S
O
HOSO2Cl
H2O
anilin acetanilid O O
Cl
HN
S
O
O O
NH2
H2O
NaOH
NH2
SO O
NH2
sulfanilamid
(sulfonamid)
NH3
27
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
Primární aminy – s kyselinou dusitou – diazoniové soli – diazotace
- reakce elektrofilního nitrosoniového iontu s nukleofilním dusíkem aminu
27
Reakce aminů s kyselinou dusitou
- alifatické diazoniové soli jsou nestálé a ihned eliminují molekulu dusíku za
vzniku karbokationtu, který dále reaguje s přítomným nukleofilem, nebo
dochází k přesmyku na stabilnější karbokation, případně dochází k eliminaci
28
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
Sekundární aminy – s kyselinou dusitou – N-nitrosaminy
28
Reakce aminů s kyselinou dusitou
Terciární aminy – s kyselinou dusitou – nereagují
R N
R'
H
N O
R N
R'
H
N O R
R'
N N O
- H
R N N OH
H
R N N O
H
H
- H2O
R N N
R' = H
R' = alkyl
Primární aromatické amíny – s kyselinou dusitou – arendiazoniové soli - diazotace
31.3.2020
8
29
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
Primární aromatické amíny – s kyselinou dusitou – arendiazoniové soli - diazotace
29
Reakce arylaminů: Diazoniové soli – Sandmeyerova reakce
NH2
NaNO2
H2SO4
anilin
N
benzendiazonium
hydrogensulfát
N+
2 H2O+ HSO4 +
-
N
N+
+ HSO4 + Nu
- -
Nu
+ N2
- nukleofilní substituce
30
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
30
Reakce arylaminů: Diazoniové soli – Sandmeyerova reakce
Sandmeyerova reakce – katalyzovány mědnými halogenidy
N
N+
-
HSO4
arendiazoniová sůl
H OH
C
N
Cl
Br I
31
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
31
Reakce arylaminů: Diazoniové soli – Sandmeyerova reakce
NH2 N
N+
-
HSO4
NaNO2
H2SO4
Br
HBr
CuBr
INaI
CN
H3O+
COOH
OH
KCN
CuCN
Cu2O
Cu(NO3)2
32
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
32
Reakce arylaminů: Diazoniové soli – Sandmeyerova reakce
N
N+
-
HSO4
Br
Br
NH2
Br
Br
NH2
NaNO2
H2SO4
2 Br2
H3PO2
Br
Br
31.3.2020
9
33
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
33
Reakce arylaminů: Diazoniové soli – Sandmeyerova reakce
N
N+
HSO4
+ CuX + Cu(HSO4)X + N2
X
+ CuHSO4
arylový
radikál
diazoniová
sůl
mechanismus
34
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
34
Reakce arylaminů: Kopulační reakce diazoniových solí
N
N+
-
HSO4
Y N
N
Y
azosloučeninaY = -OH nebo -NR2
+
35
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
35
Reakce arylaminů: Kopulační reakce diazoniových solí
mechanismus
N
N+
-
HSO4
OH N
N
O
fenol
+
N
N
OH
p-hydroxyazobenzen
H
H OH2
+
36
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
36
Reakce arylaminů: Kopulační reakce diazoniových solí
N
N+
-
HSO4
N N
N
N
N,N-dimethylanilin
+
p-(dimethylamino)azobenzen
31.3.2020
10
37
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
37
Tetraalkylamoniové soli jako katalyzátory fázového přenosu
Samostudium – str. 921 - 922
38
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
38
Nitrosloučeniny
C N
O
O
H
H
H
formální kladný náboj
formální záporný náboj
C N
O
O
H
H
H
C N
O
OH
H
H
dvojná vazba
dvojná vazba
39
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
39
Nitrosloučeniny
NO2 NO2 NO2 O
NO2
nitrobenzen nitrobutan 2-nitropropan isopropylnitrát
H3C N
O
O
+
H2C
N
O
O
+
-
H
nitroforma aci-nitroforma
- kyselé α-vodíky
- nitroalkany – reakce podobné karbonylovým sloučeninám (aldolizace, …)
40
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
40
Nitrosloučeniny – příprava
- nitroalkany: – nitrací alkanů
– reakcí halogenalkanů s dusitanem
- Aromatické nitrosloučeniny – nitrací SEAr
31.3.2020
11
41
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
41
Nitrosloučeniny – Henryho reakce
- nitroalkany – reakce podobné karbonylovým sloučeninám (aldolizace, …)
- nitroaldolizace – Henryho reakce
- kondenzace
42
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
42
Nitrosloučeniny: redukce
- nitrosloučeniny – intermediáty pro syntézu dusíkatých látak
NO2
N
N
Zn/NaOH
N
N
O
Zn/AcOH, Ac2O
nebo
glukóza/NaOH
NH
HN
NH
OH
NH2
hydrazobenzen
azobenzen
azoxybenzen
anilin fenylhydroxylamin
Zn/NH4Cl
Znpřebytek/NaOH
Fe nebo Sn
HCl
nebo
H2, Pd/C
nebo
As2O3, NaOH
H2O
EtOH
N O
přes
- nitrosloučeniny – redukce
43
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
43
Nitrososloučeniny
- C-nitrososloučeniny nebo N-nitrososloučeniny
- alifatické primární a sekundární C-nitrososloučeniny lehko isomerizují na
příslušné oximy
44
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
44
Oximy: Beckmannův přesmyk
O H2NOH+
cyklohexanon hydroxylamin
N +
cyklohexanon-oxim
H2O
OH
- příprava
- Beckmannův přesmyk
R'
R
N
OH
R'
NH
R
O
H2SO4
H2O
N
cyklohexanon-oxim
OH
NH
O
-kaprolaktam
H2O
H2SO4
31.3.2020
12
45
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
45
Oximy: Beckmannův přesmyk
- mechanismus
N
+
cyklohexanon-oxim
OH H3O+
N
O
H
H
N
+
N+
O
H
H
N
+
O H
H
O
H
H
N
O H
NH
O
-kaprolaktam nitriliový ion
46
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
46
Hydraziny, hydrazony, hydrazidy, hydroxamové kyseliny
a diazosloučeniny
H2N NH2
HN NH2 HN NH2
NO2
O2N
N NH2
HN NH
hydrazin 1,1-dimethyl-
hydrazin
fenylhydrazin 2,4-dinitrofenyl-
hydrazin
hydrazobenzen
(1,2-difenylhydrazin)
O
R R' nebo H
N
R R' nebo H
NH2
hydrazon
O
R Cl
O
R N
H
hydrazid
NH2
O
R Cl
O
R N
H
hydroxamová
kyselina
OH C N
R'
R
N
+ C
N
R'
R
N
+-
diazosloučeniny
47
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
47
Diazosloučeniny
Diazosloučeniny obsahují terminální skupinu C=N=N
- alkyldiazoniové soli jsou nestabilní, jejich konjugované báze
t.j. diazoalkany jsou izolovatelné a dostatečně stabilní, ale reaktivní !
- alifatických diazosloučenin je nejdůležitější diazomethan, nebo jeho
difenylderivát,
- použití: - alkylační činidla (např. esterifikace),
- k prodloužení řetězce,
- při cykloadicích.
48
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
48
Diazosloučeniny – Arndtova-Eistertova reakce
a Wolffův přesmyk
- reakce diazomethanu s karboxylovými kyselinami a jejich chloridmi
31.3.2020
13
49
19. Sloučeniny dusíku
Organická chemie
49
Diazosloučeniny – Arndtova-Eistertova reakce
a Wolffův přesmyk- mechanismus