Organska azotna jedinjenja Uz kiseonik, azot je verovatno najzastupljeniji heteroatom u organskim jedinjenjima

Organska azotna jedinjenja

• Uz kiseonik, azot je verovatno najzastupljeniji heteroatom u organskim jedinjenjima

• Organska azotna jedinjenja čine veliku grupu strukturno različitih jedinjenja

• Azot ulazi u sastav većeg broja funkcionalnh grupa:

• amino
• nitro
• amido
• nitrilna
• nitrozo
• heterociklične alifatične i aromatične grupe sa azotom u prstenu, itd.

• Mnoga azotna jedinjenja pokazuju snažnu bioaktivnost, kao na primer penicilin, alkaloidi, itd

Alifatični amini

• Strukturno se izvode iz amonijaka, zamenom jednog ili više vodonikovih atoma alkil-grupama

• Nomenklatura

• Alifatični amini dobijaju imena tako što se imenu alkil-grupe (ili grupa) doda reč amin.
• CH3-NH2 – metilamin
• (CH3)2NH – dimetilamin
• (CH3)3N - trimetilamin
• Primarni (R-NH2), sekundarni (R2NH2) i tercijarni (R3NH2) amini
• Nesimetrični sekundarni i tercijarni amini, ukoliko nisu suviše složeni, imenuju se kao N-supstituisani derivati primarnih amina

Nomenklatura (nastavak)

• Ime alkil-grupe sa najvećim brojem C-atoma uzima se kao osnova imena primarnog amina, a ostale grupe navode se po abecednom redu:

Nomenklatura (nastavak)

• Složene linearne poliamine najlakše je imenovati tzv. zamenskom nomenklaturom

Dobijanje amina

• Amonoliza halogenalkana

• Reakcija se može završiti dajući kvaternernu amonijumovu so

Redukcija nitrila (alkil-cijanida)

Redukcija nitro-jedinjenja

• Nitro-jedinjenja se mogu redukovati u principu na dva načina:

• katalitičkom hidrogenizacijom pomoću molekulskog vodonika i
• redukcijom nascentnim vodonikom, koji se obično dobija u reakciji metala sa kiselinom

• metoda se, naravno, ne može primeniti kada molekul sadrži i druge funkcionalne grupe koje se lako mogu hidrogenizovati, kao što je, recimo, dvoguba veza

Hoffmann-ova degradacija amida

• kada se na amid deluje alkalnim rastvorom NaOCl ili NaOBr, nastaje primarni amin, koji ima jedan C-atom manje od polaznog amida

• metoda za skraćivanje niza C-atoma polaznog jedinjenja

• ako je polazno jedinjenje alkohol, onda se do amina sa jednim C-atomom manje može doći sledećim nizom reakcija:

Dobijanje sekundarnih i tercijarnih amina

• Korektnim izborom reaktanata u nekoj od prethodno opisanih reakcija, recimo u reakciji amonolize halogenalkana ili reduktivnoj aminaciji, mogu se dobiti sekundarni i tercijarni amini:

• anilin (1) N-metilanilin (2) N,N-dimetilanilin (3)

• Čisti tercijarni amini dobijaju se iz dialkil-hloramina i Grignard-ovog reagensa

• R2NH + Cl2 + NaOH R2NCl + NaCl + H2O

• R2NCl + R'MgCl R2NR' + MgCl2

Reduktivna aminacija

• Reakcija predstavlja redukciju aldehida i ketona u prisustvu amonijaka

• Redukcija se može izvršiti katalitički, ili pomoću natrijum-cijanoborhidrida, NaBH3CN.

• Pri reduktivnoj aminaciji ketona dobijaju se amini sa sekundarnom alkil-grupom, koje je vrlo teško dobiti amonolizom, zbog tendencije sekundarnih halogenalkana ka eliminaciji

• Tokom reakcije, aldehid ili keton može reagovati ne samo sa amonijakom, nego i sa već nagrađenim primarnim aminom, što dovodi do građenja izvesne količine sekundarnog amina.

Fizičke osobine

• Vodonikovi atomi vezani za azot imaju manju težnju da napuste molekul kao proton, ili da budu privučeni koncentracijom negativne šarže na drugim atomima, od onih vezanih za kiseonik

• Zbog male tendencije da grade vodoničnu vezu slabo su asosovani

Fizičke osobine (nastavak)

• Slobodan elektronski par amina može da gradi vodoničnu vezu sa molekulima vode i svi tipovi amina sa malom molekulskom masom su rastvorni u vodi

• Niži amini imaju miris koji podseća na amonijak; miris trimetilamina je opisan kao "miris na ribu". Kako raste molekulska masa, miris postaje neprijatniji.

Reakcije

• Bazne osobine

• Pošto alkil-grupe pokazuju +I efekat, to bi amini trebalo da budu nešto jače baze od amonijaka. Red baznosti trebalo bi da je

• R3N > R2NH > RNH2 > NH3

• U vodi ili drugim rastvaračima koji grade vodonične veze sa molekulima amina, red baznosti amina može biti promenjen
• efekat koji se mora uzeti u obzir: solvataciona stabilnost amina.
• hidratacija slobodnih amina preko vodonične veze tipa >N-H - - - :OH2 opada u nizu
• NH3 > RNH2 > R2NH > R3N

• Razlog: tim redom opada i broj vodonikovih atoma vezanih za azot, preko kojih se ostvaruje vodonična veza sa molekulima vode, kao i dostupnost elektronskog para azota usled sternih smetnji

• odgovarajuće konjugovane kiseline, tj. amonijum-joni, grade jače vodonične veze s vodom nego slobodne baze, jer azotov atom sa pozitivnom šaržom ima veću elektronegativnost nego kad je bez šarže (neutralan)

• I u ovom slučaju će solvatacija biti utoliko efikasnija ukoliko je u amonijum-katjonu veći broj vodonikovih atoma vezano za azot, pa je red stabilnosti amonijum-katjonova:

Alkilovanje

• Kao što amonijak reaguje sa alkil-halogenidima dajući smesu 1o, 2o i 3o amina i kvaternerne amonijum soli, tako i amini mogu reagovati sa 1o alkil-halogenidima dajući takođe 2o i 3o amine i kvaternerne amonijum soli

Acilovanje

• Uvođenjem acil-grupe u 1o i 2o amine dobijaju se N-supstituisani amidi amidi

• 2RNH2 + XCOR'  RNHCOR' + RNH3+X-
• RNH2 + (R'CO)2O  RNHCOR' + R'COOh
• RNH2 + R'COOR"  RNHCOR' + R"OH

• tercijarni amini ne podležu ovoj reakciji, što je iskorišćeno za njihovo odvajanje iz smeše sa primarnim i sekundarnim

Reakcije sa aldehidima i ketonima

• Enaminska reakcija

• Sekundarni amini reaguju sa aldehidima koji imaju H-atom na -C-atomu dajući enamine

Reakcija sa HNO2

• U prisustvu jakih kiselina, primarni amini reaguju sa azotastom kiselinom uz izdvajanje azota

• RNH2 + HONO  ROH + N2 + HOH

• Sekundarni amini daju nitrozoamine

Oksidacija

• Oksidacija primarnih i sekundarnih amina može dati niz proizvoda, kao što su hidroksilamini, oksimi, nitrozo- i nitro-jedinjenja

• Oksidacija permanganatom tercijarnih alkil-amina u tercijarna nitro-jedinjenja je od preparativnog značaja

• Tercijarni amini obično zamenjuju hidroksilni jon iz peroksida, sa daljim gubitkom protona, dajući klasu jedinjenja poznatih kao amino-oksidi

Aromatični amini

• Aromatični amini imaju amino-grupu ili alkil- odnosno aril- supstituisanu amino-grupu vezanu direktno za aromatični prsten

• Nomenklatura

• Aromatični amini mogu biti primarni, sekundarni ili tercijarni
• Poznatiji su pod uobičajenim imenima

Nomenklatura (nastavak)

• Sekundarni ili tercijarni amini nazivaju se kao derivati primarnih amina, ili kao derivati amonijaka

Aromatični amini. Dobijanje

• Redukcijom oksidovanih azotnih jedinjenja

Amonolizom halogenskih derivata

• Halogen vezan za aromatični prsten obično je vrlo stabilan prema hidrolizi ili amonolizi. Ako su, međutim, prisutne grupe koje privlače elektrone u orto i para-položaju, halogen se mnogo lakše zamenjuje

Fizičke osobine

• Kao što benzen (t.k. 80C) ključa na višoj temperaturi od n-heksana (t.k. 69C), tako i anilin (t.k. 184C) ima višu tačku ključanja od n-heksilamina (t.k. 130C)

• Veća razlika u tačkama ključanja može se pripisati činjenici da anilin ima dipolni momenat 1,60, a n-heksilamin 1,30 D

• N-Metilanilin (t.k. 195C) ključa na višoj temperaturi od anilina, ali i od N,N-dimetilanilina (t.k. 193C), jer ovaj poslednji ne gradi vodonične veze.

• p-supstituisani anilini imaju najvišu tačku topljenja, pa je p-toluidin čvrsto jedinjenje na sobnoj temperaturi, dok su o- i m-izomeri tečnosti

Fiziološke osobine

• Aromatični amini, kao i aromatični ugljovodonici i njihovi halogeni i nitro- derivati, su vrlo toksični. Tečnosti se vrlo lako apsorbuju kroz kožu, pri čemu i niske koncentracije para proizvode simptome trovanja kada se inhaliraju duže vreme

• Prema Američkoj agenciji za zaštitu okoline (EPA ) maksimalna dozvoljena koncentracija para anilina u vazduhu za kontinualnu inhalacionu izloženost ljudi u toku dužeg perioda procenjuje se da iznosi oko 0,001 mg/m3

Fiziološke osobine

• Pare anilina mogu proizvesti simptome trovanja posle nekoliko časova pri izlaganju koncentracijama nižim od 7 ppm-a

• Anilin deluje na krv i na nervni sistem

• Hemoglobin krvi se pretvara u methemoglobin sa sniženjem kapaciteta prenosa kiseonika, što stvara cijanozu

• Direktno depresiono dejstvo se dešava sa srčanim mišićem

• Produženo izlaganje vodi mentalnoj poremećenosti

• Hlor- i nitro- supstituisani amini u prstenu, N-alkilovani i acilovani amini i diamini takođe su vrlo toksični

• N-fenilamini su znatno manje toksični od N-alkil-derivata. Fenolna hidroksilna grupa u izvesnoj meri smanjuje toksičnost, dok prisustvo slobodne karboksilne ili sulfonske grupe u prstenu snižava toksičnost u znatnoj meri

Reakcije

• Reakcije aromatičnog prstena

• Supstitucija vodonika deuterijumom
• Oksidacija
• Halogenovanje
• Nitrovanje
• Sulfonovanje

• Reakcije amino-grupe

• Baznost - građenje soli
• Alkilovanje i arilovanje
• Acilovanje
• Reakcija sa azotastom kiselinom

Supstitucija vodonika deuterijumom

• do reakcije dolazi samo u prisustvu jakih kiselina pod anhidrovanim uslovima

• amino-grupa je tako snažno aktivirajuća, da se izmena vodonika u orto- i para-položajima vrši relativno brzo u vodenim rastvorima (ali ipak sporije nego sa vodonikom amino-grupe)

Oksidacija aromatičnog prstena

• aromatični amini se lako oksiduju dajući veliki broj oksidacionih proizvoda, što zavisi od vrste upotrebljenog oksidacionog sredstva

• Pored amino grupe, mogu se oksidovati i C-atomi benzenovog prstena koji su u o- i p-položaju prema amino grupi, pri čemu nastaju aminofenoli

Halogenovanje

• Zbog jako aktivirajućeg dejstva amino-grupe, nije potreban katalizator za reakciju halogenovanja.

• Iz istog razloga, do supstitucije halogenom dolazi obično u svim slobodnim orto- i para-položajima.

• Proizvod koji nastaje lako se može izolovati, na primer, 2,4,6-trihlor- ili 2,4,6-tribromanilin.

• Tri atoma halogena u orto- i para-položaju smanjuju baznost amino-grupe i vodeni rastvor ne gradi so sa kiselinama.

Nitrovanje

• Direktno nitrovanje anilina ili drugih aril-amina teško je izvodljivo i praćeno je značajnim gubicima polazne supstance zbog građenja smeše oksidacionih proizvoda

• Osim toga, u jako kiseloj sredini potrebnoj za nitrovanje, amino-grupa se nalazi u protonovanom obliku, kao anilinijum-katjon.

• Ovo ima za posledicu da supstitucija nije pod kontrolom NH2, već –NH3, grupe, koja je meta-usmeravajuća.

• Stoga se prethodno amino-grupa zaštiti acilovanjem, najčešće acetil-hloridom ili anhidridom sirćetne kiseline:

Nitrovanje (nastavak)

• Rezonancijom amidne grupe smanjuje se interakcija usamljenog elektronskog para na azotu sa aromatičnim prstenom (odnosno njegova delokalizacija na prsten):

• Nakon što je N-acil zaštitna grupa obavila svoju ulogu, može se ukloniti hidrolizom, čime se oslobađa amino-grupa:

Sulfonovanje

• Sulfonovanje anilina na sobnoj temperaturi pušljivom H2SO4 daje smešu o-, m- i p-aminobenzensulfonskih kiselina

• iako bi trebalo očekivati samo proizvode m-supstitucije (građenje soli), izvesna količina o- i p-izomera se takođe stvara, verovatno zbog sulfonovanja malih količina slobodnog amina, koji je u ravnoteži sa svojom soli

• Kada se anilin zagreva sa H2SO4 više časova na 180C, jedini proizvod je p-izomer, sulfanilna kiselina

Reakcije amino-grupe. Baznost

• Baznost aromatičnih amina je manja od alifatičnih, ali veća nego kod amida (uticaj aromatičnog prstena)

• Vezivanjem drugog aromatičnog prstena za azotov atom smanjuje se baznost, kao što je slučaj kod difenilamina.

• S druge strane, uvođenjem alkil-grupa baznost se povećava, pa su N-metilanilin i N,N-dimetilanilin jače baze od anilina

Alkilovanje i arilovanje

• Kao i alifatični amini, primarni aromatični amini reaguju sa halogenalkanima dajući sekundarne i tercijarne amine i kvaternerne amonijum-soli

• Sa prostim halogenarenima reaguju teško

Acilovanje

• Anhidridi kiselina i acil-halogenidi pretvaraju primarne i sekundarne aromatične amine u amide

Reakcija sa azotastom kiselinom

• Primarni amini

• daju diazonijum-soli na oko 0oC

• Tercijarni amini

• daju p-nitrozo derivate

Diazonijum-soli

• Diazonijum-soli prvi je dobio Peter Gris 1858. godine, dejstvom azotaste kiseline na so primarnog aromatičnog amina

• u toku sledećih pet godina reakcije diazonijum-soli su mnogo istraživane, kao i azo-boje, koje su iz njih industrijski dobijane

• ispitivanje strukture diazo-jedinjenja odigralo je važnu ulogu u razvoju teorijskih aspekata organske hemije

Struktura i fizičke osobine

• Proizvodi reakcije aromatičnih primarnih amina sa azotastom kiselinom u jako kiselom rastvoru pokazuju osobine soli:

• čvrsta jedinjenja rastvorna u vodi, a nerastvorna u organskim rastvaračima
• merenje električne provodljivosti pokazuje da su potpuno jonizovana u razblaženim rastvorima

• Jedina struktura koja odgovara ovim eksperimentalnim činjenicama je ona u kojoj je jedan azotov atom kvaterneran, kao u amonijum-solima, i u kojoj su azotovi atomi vezani trogubom vezom.

Nomenklatura

• Prilikom imenovanja ovih jedinjenja, ime ugljovodonika iz kojeg se izvode dobija sufiks diazonijum, i tome se doda ime anjona

Dobijanje

• diazotovanje – reakcija aminske soli i HNO2

• izvodi se u jako kiselom rastvoru, da bi se sprečila reakcija diazonijum-soli sa još neizreagovalim aminom (tzv. kuplovanje)

• Većina diazonijum-soli je nestabilna na sobnoj temperaturi, pa se reakcije izvode na 0C i rastvor odmah upotrebljava

• u reakciji dolazi do nukleofilnog napada amina na azot-trioksid, koji je u ravnoteži sa azotastom kiselinom

Reakcije

• Podležu velikom broju reakcija, što je delimično posledica činjenice da se one mogu odvijati kako jonskim, tako i radikalskim mehanizmom

• Reakcije pri kojima ne dolazi do oslobađanja azota rezultat su elektrofilne supstitucije diazonijum-jonom

Reakcije kuplovanja

• Diazonijum-jon je slab elektrofil

• supstitucija u prstenu nekog aromatičnog jedinjenja moguća samo kada je prsten jako aktiviran hidroksilnom ili amino-grupom

• Proizvod je intenzivno obojeno azo-jedinjenje, a ova reakcija daje industrijski važne azo-boje

• U navedenim primerima kuplovanjem diazonijum-soli sa fenolom dobija se p-hidroksiazobenzen, a sa N,N-dimetilanilinom p-N,N-dimetilaminoazobenzen

• Do reakcije kuplovanja dolazi u slabo kiselom, neutralnom ili alkalnom rastvoru

• Kuplovanje se vrši i sa primarnim i sekundarnim alifatičnim aminima, pri čemu se dobijaju diazoamino-jedinjenja

• Da bi se sprečila ova reakcija pri diazotovanju anilina, diazotovanje se vrši u jako kiseloj sredini, jer aminska so ne podleže kuplovanju

• Kada se diazoamino-jedinjenje zagreva u prisustvu soli amina da bi se katalizovala reakcija, vrši se premeštanje u aminoazo-jedinjenje

• Razlika između azo- (R'N=NR" ili Ar'N=NAr") i diazo-jedinjenja (RN=NX) je u tome što kod ovih poslednjih grupa X nije vezana za azot preko ugljenikovog atoma

Supstitucija hidroksilnom ili alkoksidnom grupom

• zagrevanjem vodenog rastvora diazonijum-sulfata izdvaja se azot i gradi fenol

• Reakcija ima kinetiku I reda i ako je u p-položaju prisutna grupa koja odvlači elektrone, kao što je nitro-grupa, smanjuje se brzina reakcije

Supstitucija halogenom

• Diazo-grupa se može lako supstituisati ma kojim halogenom, ali u posebnim eksperimentalnim uslovima

• Za supstituciju hlorom ili bromom, vodeni rastvor odgovarajuće soli zagreva se sa bakar(I)-hloridom ili bakar(I)-bromidom

• Reakcija je poznata kao Sandmeyer-ova

Supstitucija cijanidom

• U reakciji diazonijum-soli sa bakar(II)-cijanidom (CuCN) dolazi do supstitucije diazo-grupe -CN grupom

Nitroalkani

• Struktura i nomenklatura

• Alifatična nitro-jedinjenja imaju opštu formulu RNO2. Slično karboksilatnom jonu, nitroalkan je rezonancioni hibrid:

Dobijanje nitroalkana

• Iz halogenalkana i nitrita

• reakcija SN tipa
• od strukture halogenalkana zavisi kojim će mehanizmom teći (SN1 ili SN2) i koji će proizvod nastati
• tercijarni halogenalkan  vrlo verovatno SN1 mehanizam  nastajanje estra alkil-nitrita
• Ukoliko struktura RX favorizuje SN2 mehanizam  proizvod će biti nitroalkan.

Nitrovanje ugljovodonika u gasnoj fazi

• Niži nitroalkani industrijski se dobijaju reakcijom propana sa HNO3 na 420C

Oksidacija oksima

• Primarna i sekundarna nitro-jedinjenja mogu se dobiti oksidacijom oksima trifluorpersirćetnom kiselinom

Fizičke osobine

• imaju veliki dipolni momenat (3,6 D)

• abnormalno visoke tačke ključanja

• rastvorljivost u vodi je mnogo manja od alkohola (ne grade vodonične veze)

• dobri rastvarači za dipolarna jedinjenja

Hemijske osobine - reakcije

• Građenje soli

• vodonik na -ugljenikovom atomu nitroalkana ima kisele osobine, pored ostalog i zato što je anjon stabilizovan rezonancijom

• pri zakiseljavanju, proton se adira mnogo brže na kiseonikove atome anjona nego na -ugljenikov atom, tako da se dobija tautomer polaznog nitroalkana, tj. aci-oblik

• pošto je termodinamički manje stabilan, brzo prelazi u nitroalkan.

Bromovanje

• Primarna i sekundarna nitro-jedinjenja, kao i aldehidi i ketoni, lako se bromuju u alkalnom rastvoru

Reakcije sa azotastom kiselinom

• primarna nitro-jedinjenja reaguju sa azotastom kiselinom dajući nitrozo-derivate

• proizvodi su poznati kao nitralne kiseline, koje se rastvaraju u alkalijama dajući soli crvene boje

• Sekundarna nitro-jedinjenja daju plave nitrozo-derivate, koji su nerastvorni u alkalijama

Redukcija u primarne amine

• može se izvršiti:

• katalitički (vodonikom na platini ili niklu kao katalizatoru) ili
• vodonikom koji se izdvaja u reakciji metala (Fe, Zn, Sn) i neke mineralne kiseline (najčešće hlorovodonične)

Aromatična nitro-jedinjenja

• Ova jedinjenja upotrebljavaju se kao intermedijeri za dobijanje boja još od 1856. godine, kada je Perkin otkrio anilinsko crveno

• Kasnije se koriste kao eksplozivi, intermedijeri pri dobijanju farmaceutskih proizvoda, itd.

• Dobijanje

• nitrovanjem aromatičnih jedinjenja

Fizičke osobine

• obično su čvrsta, kristalna jedinjenja, bezbojna ili žuto obojena

• Samo nekoliko mononitroaromatičnih jedinjenja su tečnosti na sobnoj temperaturi

• Zbog velikog dipolnog momenta imaju visoke tačke ključanja

• praktično su nerastvorni u vodi

• Tečnosti su dobri rastvarači za većinu organskih jedinjenja, pa čak i za mnoge neorganske soli

Reakcije

• Reakcije prstena

• dezaktivirajući i m-usmeravajući efekat nitro-grupe na elektrofilnu supstituciju u prstenu
• aktivacija prstena za nukleofilnu supstituciju

• Reakcije nitro-grupe

• najvažnija reakcija nitro-grupe je redukcija, kojom se ona prevodi u amino-grupu
• u ovoj reakciji, iz nitrobenzena u kiseloj sredini nastaju sledeći intermedijerni proizvodi:

• Reakcija se može izvoditi i u baznoj sredini, uz drugačije međuproizvode: