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:
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. 80C) ključa na višoj temperaturi od n-heksana (t.k. 69C), tako i anilin (t.k. 184C) ima višu tačku ključanja od n-heksilamina (t.k. 130C)
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. 195C) ključa na višoj temperaturi od anilina, ali i od N,N-dimetilanilina (t.k. 193C), 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 180C, 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 0C 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 420C
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: