酰胺
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酰胺在自然界中广泛存在,并在科学技术中有重要应用。蛋白质中的肽键便以酰胺结构相连接。工业上重要的化工材料,如尼龙、芳纶、克维拉、特瓦纶等都是含酰胺结构单体聚合成的合成纤维。许多药物也都包含酰胺结构,它帮助维持刚性结构并抵抗水解,如对乙酰氨基酚、青霉素、LSD等[3]。一些低分子量的酰胺,是常用的有机溶剂,如DMF和DMAc。
命名
[编辑]酰胺可以看作羧酸被氨基或胺取代后衍生的产物,因此可以将酸字改为酰胺来命名,英文命名时将-ic acid改为-amide[4],例如:
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乙酰胺 | 异丁(基)酰胺 | 乙二酰二胺 |
当酰胺中的氮上连有多个烃基时,则需要将氮上取代基写在某酰之前,并用N-来表示其位置(在没有歧义时可省略),例如:
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乙酰苯胺 | N,N-二甲基甲酰胺 | 二甲基乙酰胺 |
二元羧酸被氨(或胺)基取代时,称为“某二酰胺”,英文命名时将词尾-dioic acid改为-diamide;当两个羧基被同一个氨(或胺)基取代得到环状化合物时,称为“某二酰亚胺”,英文命名时将词尾改为-imide;当胺上的烃基与酰胺的碳原子首尾相连形成环状化合物时,称为“某内酰胺”,英文命名时将词尾改为-lactam[5],例如:
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丁二酰胺 | N-溴代丁二酰亚胺 | 4-丁内酰胺 |
酰胺根据其N上取代程度,可分为伯(一级)酰胺、仲(二级)酰胺和叔(三级)酰胺[6]。
结构
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/24/Formamide-MO-3D-balls.png/180px-Formamide-MO-3D-balls.png)
酰胺中的C-N键较胺中的C-N键要短,一方面是因为酰胺中C-N键的碳是用sp2杂化轨道与氮成键,而胺中C-N键的碳是用sp3杂化轨道与氮成键,s成分较少[7];另一方面是因为氮上孤对电子在羰基上离域,在碳、氮和氧间形成共轭体系,从而使C-N键具有某些双键性质。因此,酰胺中的N、O、C位于同一平面,限制了围绕酰基的旋转[8][9]。
酰胺结构有以下的共振式:
性质
[编辑]除甲酰胺外,大部分具有RCONH2结构的酰胺为白色固体,这是因为分子间形成了氢键[10][11]。在羧酸衍生物中,酰胺具有最强的稳定性,其水解最难发生,一般需要在强酸性或碱性条件下回流。相较于胺类,酰胺表现出较弱的碱性,低级的酰胺可溶于水,例如DMF和DMAc便是很好的非质子极性溶剂,且可以与水混溶[10]。能与酸反应成盐,其质子化发生在氧原子上,酰胺的碱性要弱于胺,但强于酯、酮和羧酸,酰亚胺上的氢原子有弱酸性[12][13]。
蛋白质和肽是含有酰胺键的重要生物分子。一些生物碱中也含有酰胺结构[14]。
合成
[编辑]酰胺可以通过羧酸与胺偶联制备,直接反应需要高温将水赶出体系[15]:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/thumb/c/ca/Amide_synthesis_by_coupling.png/400px-Amide_synthesis_by_coupling.png)
酰胺可以通过酯、酸酐(卢米埃尔-巴比耶方法)或酰氯(肖滕-鲍曼反应)与胺反应来合成。多肽合成中通过偶联剂(如HATU、HOBt、PyBOP)来合成酰胺[16]。一些试剂,如Sheppard酰胺化试剂,被用来构建酰胺和亚胺结构[17][18]。
反应 | 底物 | 备注 |
---|---|---|
亲核酰基取代反应 | 酰氯或酸酐 | 试剂:氨或胺 |
Beckmann重排 | 环酮 | 试剂:肟和酸催化 |
Schmidt反应 | 酮 | 试剂:叠氮酸 |
腈的控制水解[19] | 腈 | 试剂:水和酸催化 |
Willgerodt–Kindle反应 [20] | 芳基烷基酮 | 硫和吗啉 |
Passerini反应 | 异腈、酮(或醛)和羧酸 | 极性溶剂(如水或甲醇) |
Ugi反应 | 异腈、羧酸、伯胺和酮(或醛) | |
Bodroux反应[21][22] | 羧酸和格氏试剂的胺类衍生物(如IMgNHR) | ![]() |
Chapman重排[23][24] | 芳基亚胺基醚 | 对N,N-二芳基亚胺,反应机理为分子内芳香族亲核取代反应[25] ![]() |
Ritter反应[26] | 腈、烷基化试剂如(异丁烯、叔丁醇)和强酸。 | 在浓酸作用下,腈与碳正离子发生加成反应得到仲酰胺,Ritter反应能在叔碳处构建一根C-N键。 |
末端烯烃的光化学加成[27] | 末端烯烃和甲酰胺 | 甲酰胺对末端单烯烃的自由基同系化反应,得到反马氏加成产物。 |
羧酸衍生物的氨解[28][29][30][31] | 酯、酰卤、酰胺和酸酐 | 羧酸衍生物可以与氨反应,形成酰胺,称为氨解。 |
其他反应
[编辑]有机钌化合物催化胺的脱氢酰化,该反应通过醇脱氢产生的醛,与胺形成半胺醛,随后二次脱氢得到酰胺,该反应的副产物为氢气[32] :
酰胺与胺反应生成新的酰胺的反应称为酰胺交换反应,该反应进行地非常缓慢,需要路易斯酸 [33]和有机金属催化剂[34]催化:
- RC(O)NR'2 + HNR"2 → RC(O)NR"2 + HNR'2
反应
[编辑]酰胺的酸性水解机理[35] 酰胺的酸性与碱性水解
酰胺会发生与酯相似的反应,但其反应性弱于酯。酰胺在热碱或强酸条件下会发生水解,酸性水解会产生对应羧酸和铵离子,碱性水解会产生对应胺和羧酸根离子。由于酰胺的水解条件相较于酯、酰卤更强烈,因此该反应不需要催化,也不可逆。
反应 | 产物 | 反应条件 |
---|---|---|
脱水 | 腈 | P2O5; 苯磺酰氯; TFAA+py[36] |
霍夫曼重排 | 少一个碳原子的伯胺 | 溴+氢氧化钠 |
还原[37] | 胺和醛 | i) LAH ii) H+/H2O |
Vilsmeier–Haack反应 | 醛 | POCl3,芳香族底物 |
Bischler–Napieralski反应 | 环亚胺 | POCl3,SOCl2等 |
参见
[编辑]参阅书籍
[编辑]- 邢其毅等. 《基础有机化学》第三版 上册. 高等教育出版社. 2005a.
- 邢其毅等. 《基础有机化学》第三版 下册. 高等教育出版社. 2005b.
参考文献
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