Стереохимия азота. Амиды и их аналоги

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный  университет им. Е.А.Букетова

 

 

Кафедра неорганической и  технической химии

 

 

 

 

 

 

Стереохимия азота.

Амиды и их аналоги.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Рахимжанова А., ХЕ-22

 Проверил: к.х.н. профессор Мерхатулы Н.

 

 

г. Караганда, 2012

 

Содержание:

 

1. Стереохимия азота…………………………………………….3

 

2. Амиды и их аналоги.…………………………………………..4

- монозамещенные амиды.………………………………….....5

- дизамещенные амиды.……………………………………….8

- N-гетероциклические амиды.………………………………..9

- гидроксамовые кислоты и мочевины.………………………10

- тиоамиды и их аналоги………………………………………11

 

3. Расщепление амидов по Гофману…………………………….12

 

4. Литература……………………………………………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стереохимия азота.

Спектроскопические данные показывают, что молекула аммиака  пирамидальна, причем атом азота находится  в вершине пирамиды, а атомы  водорода – по углам треугольного основания. При образовании аммиака  атом азота использует sp³-орбитали, направленные к углам тетраэдра. Три из этих орбиталей перекрываются с s-орбиталями атомов водорода; четвертая содержит неподеленную пару электронов.

Поскольку амины представляют собой производные аммиака, в  которых один или более атомов водорода замещены на алкильные группы, то можно было предполагать, что  амины также пирамидальны. Это  было показано методом дифракции  электронов; согласно полученным данным, молекула триметиламина пирамидальна и углы связей C-N-C (около 108°) очень близки углам связей Н-N-H (107°) в аммиаке. 
 Из рассмотрения моделей можно убедиться, что молекулу, в которой атом азота несет три различные группы, нельзя совместить с ее зеркальным изображением и, следовательно, она диссимметрична. Поэтому такой амин, как, например, метилэтил-н-пропиламин, должен существовать в двух энантиомерных формах (I и II), каждая из которых (отделенная от другой) должна проявлять оптическую активность.

Однако энантиомеры такого рода никогда не были    обнаружены. Как это можно объяснить?

    

Спектральные данные показывают не только то, что аммиак является пирамидальной  молекулой, но и то, что энергетический барьер превращения одной пирамидальной  конфигурации (III) в другую (IV) составляет всего 6 ккал/моль (25,12*10³ Дж/моль). Даже при комнатной температуре доля столкновений с достаточной энергией столь велика, что происходит быстрое превращение между пирамидальными конфигурациями – быстрая инверсия.

 
           Изучение ПМР-спектров показывает, что производные аммиака также претерпевают быструю инверсию: так, молекулы метилэтил-н-пропиламина быстро превращаются из конфигурации I в кофигурацию II. Хотя эти энантиомеры диссимметричны, они, как и конформационные энантиомеры, слишком быстро превращаются друг в друга, поэтому невозможно их разделить и определить их оптическую активность. Очевидно, неподеленная пара электронов на атоме азота не может выступать в роли четвертой группы, закрепляющей конфигурацию.

Рассмотрим теперь соли четвертичного  аммония – соединения, в которых четыре алкильные группы связаны с азотом. В этом случае четыре sp³-орбитали используются для образования связей и четвертичный атом азота должен быть тетраэдрическим. Если это так, то соль четвертичного аммония, у которой при азоте имеются четыре различные группы, должна существовать в виде конфигурационных энантиомеров, способных проявлять оптическую активность. Установлено, что это действительно так. Например, иодид метилаллилфенилбензиламмония существует в виде двух энантиомерных форм (V и VI), каждая из которых оптически активна.

 

Амиды и их аналоги.

Важный раздел стереохимии  азотосодержащих соединений – исследование пространственного строения амидов. Как известно, амидная группа является одним из примеров мезомерных структур (схема 12). Все три заместителя у атома азота амидов расположены в одной плоскости. Связь углерод-азот в амидах короче обычной простой связи C-N, а связь углерод-кислород, наоборот, длиннее обычной простой связи С=О. Двоесвязность связи С-N создает определенный барьер вращения вокруг нее, появляется возможность существования двух плоских конформаций – цисоидной (Е) (74) и трансоидной (Z) (74а).

 

Цисоидное или трансоидное расположение у монозамещенных амидов принято определять по относительному положению атома кислорода карбонильной группы и атома водорода при азоте. В случае дизамещенных амидов эти обозначения менее наглядны. Более удобно у амидов любого строения обозначать конфигурацию по (ZE)-системе. Являясь по существу конформерами, (Z)- и (E)-формы амидов все же достаточно стабильны и их можно обнаружить физическими методами, а в отдельных случаях и выделить в качестве индивидуальных веществ.

Исследование деталей  строения амидной группы стимулировалось  в первую очередь тем, что эта  группировка входит в состав полипептидной  цепи белков. Начиная с 60-х годов  нашего столетия, появилось много работ по пространственному строению и более простых амидов. Решающую роль при изучении конформаций амидов играет метод спектроскопии ЯМР.

Использование метода ЯМР  основано на следующих явлениях. В  одном из простейших амидов, диметилформамиде, из-за затрудненного вращения вокруг связи С-N формально одинаковые метильные группы оказываются в неодинаковом окружении и имеют поэтому несколько различающиеся химические сдвиги. При нагревании до определенной температуры оба сигнала сливаются в один; это означает, что вращение вокруг связи С-N становится достаточно быстрым (в шкале времени ЯМР). Если при атоме азота стоят разные заместители, то их химические сдвиги для обоих конформеров различны. Это хорошо видно на примере конформеров N-бензил-N-метилформамида (75) и (76).

Сравнивая интегральную интенсивность  соответствующих сигналов обоих  конформеров, определяют положение конформационного равновесия. Однако из-за малого различия химических сдвигов точные результаты можно получить только на приборах с большим разрешением (до 400 МГц). И здесь оказалось полезным использование «сдвигающих реагентов». При добавлении европиевых комплексов различия сигналов протонов метильных групп в диметиламидах составляют уже не десятые доли, а до 5 м.д. (при мольном соотношении амид: комплекс 1:1). Соответственно возрастают и различия между сигналами двух конформеров несимметрично замещенных амидов. Как и всегда в подобных случаях, более сильный сдвиг наблюдается у протонов, находящихся в син-положении к кислороду и следовательно ближе к месту координации. Результаты подобного ПМР-исследования N-изопропил-N-метилформамида приведены в формулах (77) и (78), где при соответствующих группах указаны сдвиги сигналов относительно их нормального положения (т.е. в спектрах ПМР без добавления сдвигающего реагента).

 

 

 

Монозамещенные  амиды.

Для монозамещенных (вторичных) амидов возможны две конформации – (Е) и (Z). Предпочтительна (Z)-конформация; у амидов муравьиной кислоты (R=H) ее доля составляет от 92 (при R¹=Ме) до 82% (при R¹=трет-Bu). Барьеры вращения вокруг С-N связи составляют около 80 кДж/моль. В (Z)-конформации существуют и моноалкиламиды уксусной кислоты. При изучении ИК-спектров моноамидов других алифатических кислот был сделан вывод, что в цисоидном положении относительно друг друга могут находиться группы, не большие чем этильная или изопропильная.

У амидов ароматических кислот помимо (Z,Е)-конформации по амидной связи возникают и конформации по связи Аr-Co. У амидов незамещенной бензойной кислоты амидный хромофор сопряжен с ароматическим ядром; это обнаруживается по характерной бензамидной полосе в УФ-спектрах. Под влиянием орто-заместителей сопряжение нарушается и интенсивность этой полосы падает.

При рассмотрении ацилированных анилинов помимо объема заместителей необходимо учитывать еще ряд пространственных и электронных факторов – взаимодействие ациламиногруппы с ароматическим ядром (стремление к компланарности свободной электронной пары атома азота с π-электронной системой ароматического ядра), стерическое взаимодействие орто-заместителей с ациламиногруппой, биполярное отталкивание π-электронной системы бензольного ядра и карбонильной группы. В общем, когда амидная группа соединена с радикалом, способным вступать с ней в мезомерное взаимодействие, можно предвидеть участие в мезомерии уже трех форм (79а)-(79в). Если Х – заместитель, склонный отдавать свои электроны с созданием граничной формы (79в), то в результате конкуренции будет понижаться вклад формы (79б), тем самым уменьшается двоесвязность по связи С-N и понижаться барьер вращения вокруг нее.

 

Ацетанилид МеСОNHPh в пиридиновом растворе существует почти исключительно в (Z)-конформации. Присутствие орто-заместителей в бензольном ядре увеличивает объем арильной группы и приводит к некоторому сдвигу конформационного равновесия в сторону (Е)-формы. Однако сдвиг этот невелик, и (Z)-форма по-прежнему остается преобладающей. Так, ацетанилид на 99% состоит из (Z)-формы; в сходных условиях 2-метилацетанилид существует в (Z)-форме на 94%, 2-трет-бутилацетанилид – на 75%, а 2,4,6-три-трет-бутилацетанилид – на 55%. Тот факт, что орто-заместители сравнительно мало влияют на положение конформационного равновесия, связывают с возможностью создания (в результате вращения по связи N-арил) таких конформаций, в которых бензильное ядро повернуто перпендикулярно к плоскости амидной группы и, таким образом, орто-заместители удалены от атома кислорода (80).

            

 

Влияние орто-заместителей обнаруживается и по спектрам КД; анилид (+)-3-фенилмасляной кислоты имеет (+)-полосу КД в области 250 нм (анилидный хромофор), по мере роста объема орто-заместителей эта полоса ослабляется и в конце концов совсем исчезает (рис. 8.1) в результате «разрушения» анилидного хромофора – поворота хиральной боковой цепи относительно анилинового остатка.

Оптически активные амиды  давно привлекли внимание в связи  с некоторыми особенностями их спектрополяриметрического поведения. Кривые ДОВ очень простого вещества – бензоильного производного ( - )-α-фенилэтиламина – в бензоле и в метаноле в области 700-300 нм оказались антиподными:  в бензоле - плавная отрицательная кривая, в метаноле - плавная положительная. Это было отмечено в самом начале 60-х годов нашего столетия, когда все вслед за основоположником современной спектрополяриметрии К.Джерасси считали, что растворитель способен лишь как-то сдвинуть кривую ДОВ относительно горизонтальной оси (поднять или опустить), но не изменить ее ход на противоположный. Оказалось также, что можно наблюдать существование двух кристаллических форм N-бензоил-(-)-α-фенилэтиламина, различающихся по температурам плавления, причем одна форма получается при кристаллизации из метанола, другая – из бензола. Были исследованы другие амиды, а также ряд соединений, например (83)-(85), моделирующих подлинно амидную (81) и иминольную (82) формы.

 

Кривые ДОВ модельных  соединений соответствовали предположению  о таутомерии. Впоследствии это представление  было модифицировано; влияние растворителя объяснили сдвигом мезомерного состояния амидной группы в сторону одной из граничных структур. Этот эксперимент был проведен и подтвержден в лаборатории К,Джересси, хотя при этом было выдвинуто иное объяснение – с позиции (ZE)-изомеризации. На основании результатов, полученных при изучении влияния растворителей на ИК-спектры N-метилацетамида был сформулирован вывод: «… взаимодействие растворителя с растворенным веществом в случае этого амида распространяется на всю молекулу, так что растворитель влияет не только на вращение вокруг связи и конфигурацию амида, но и на иные свойства амида». 

Стоит упомянуть, что при  рассмотрении поведения амидов в  растворах следует учитывать  не только возможность возникновения  водородных связей за счет С=О и NН-групп, но и стремление углеводородных радикалов к сближению за счет гидрофобных взаимодействий.

Очень легко происходит взаимопревращение цис- и транс-форм винилогов амидов (схема 13).  Этот переход совершается при комнатной температуре под влиянием растворителя; в неполярном апротонном растворителе существует цис-изомер, стабилизированный внутримолекулярной водородной связью; в полярных растворителях появляется транс-форма. Легкость перехода позволяет назвать это явление цис-транс-таутомерией. Цис-форму удалось выделить в твердом виде и наблюдать ее мутаротацию (постепенное изменение вращения) в разных растворителях. Это дало возможность провести кинетические измерения; из данных, полученных при разных температурах, были рассчитаны энергии активации превращения и т.д.

В дальнейшем были исследованы  циклические соединения типа (86). У  них жестко зафиксирована цис-форма, в соответствии с этим кривые ДОВ  практически не зависят от растворителя. Эти соединения в дальнейшем были использованы для асимметрического синтеза (схема 14). На первый взгляд казалось необычным получение продукта алкилирования по положению 8, в действительности же ничего удивительного в этом нет: атомы водорода при С-8 в результате проявления винилогии способны к реакциям так же, как и атомы водорода при С-3, в α-положении к СО-группе.

Дизамещенные амиды.

Дизамещенные формамиды существуют преимущественно в конформации с большей группой в трансоидном положении по отношению к атому кислорода карбонильной группы. При переходе от этих амидов к аналогичным производным других кислот на предпочтительную конформацию начинают оказывать влияние не только неблагоприятное пространственное взаимодействие большей группы с атомом кислорода, в (Z)-конформации, но и такое же взаимодействие большей группы с радикалом кислотной части амида, в (Е)-конформации. Поэтому доля (Е)-конформации в таких амидах ниже, чем в соответствующих формамидах. Так, у метиламидов муравьиной и уксусной кислот доля (Е)-конформера составляет 60% и 49%, у метилизопропиламидов тех же кислот 76% и 42% соответственно.