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酰胺

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酰胺的通式
酰胺的通式
甲酰胺,最简单的酰胺
甲酰胺,最简单的酰胺
天冬酰胺是一种含有酰胺结构(标记区)的氨基酸
天冬酰胺是一种含有酰胺结构(标记区)的氨基酸
实验室中合成尼龙66
实验室中合成尼龙66

xiānàn(英语:Amide)是指酰基碳与胺类相连的一类化合物,官能团可记为R1C(=O)NR2R3,其中R1、R2和R3可以是氢原子或有机基团[1][2]。酰胺也可以看作是羧酸缩合形成的有机化合物,是羧酸衍生物的一类,简单的酰胺有:甲酰胺乙酰胺苯甲酰胺N,N-二甲基甲酰胺

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英语Twaron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[3]。一些低分子量的酰胺,是常用的有机溶剂,如DMFDMAc

命名

酰胺可以看作羧酸被氨基或取代后衍生的产物,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:

Acetamide skeletal.svg
Isobutyramide.svg
Oxamide.png
甲酰胺 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:

Acetanilide.png
Dimethylformamide-2D-skeletal.svg
Dimethylacetamide.svg
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:

Succinamide.png
N-Bromosuccinimide.svg
size=80%
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

甲酰胺分子球棍模型,显示了π电子的离域情况
甲酰胺分子球棍模型,显示了π电子的离域情况

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

羰基与氨基的氮共轭

性质

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]

酰胺2.png

合成

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]

羧酸与胺偶联直接合成酰胺。
羧酸与胺偶联直接合成酰胺。

酰胺可以通过酯、酸酐(卢米埃尔-巴比耶方法英语Lumière–Barbier method)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英语HATUHOBtPyBOP英语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 酰氯酸酐 试剂:
Beckmann重排 环酮 试剂:和酸催化
Schmidt反应 试剂:叠氮酸
腈的控制水解[19] 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(或)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)
Bodroux reaction.svg
Chapman重排[23][24] 芳基亚氨基醚 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]
Chapman Rearrangement
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英语Homologation reaction,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

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,与胺形成半胺醛英语hemiaminal,随后二次脱氢得到酰胺,该反应的副产物为氢气[32]

DehydrogenativeAmidation.svg

酰胺与胺反应生成新的酰胺的反应称为酰胺交换反应英语Transamidation,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

酰胺的酸性水解机理[35]
酰胺的酸性水解机理[35]
酰胺的酸性与碱性水解
酰胺的酸性与碱性水解

酰胺会发生与相似的反应,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 P2O5; 苯磺酰氯; TFAA+py[36]
霍夫曼重排 少一个碳原子的伯胺 +氢氧化钠
还原[37] i) LAH ii) H+/H2O
Vilsmeier–Haack反应 POCl3,芳香族底物
Bischler–Napieralski反应 环亚胺 POCl3SOCl2

参见

参阅书籍

参考文献

  1. ^ 国际纯化学和应用化学联合会."amides".《化学术语总目录》在线版.(英文)
  2. ^ Chapter 21: Amides and Imides. Nomenclature of Organic Compounds. Advances in Chemistry 126 (Washington, American Chemical Society). 1974: 166–173. ISBN 9780841201910. doi:10.1021/ba-1974-0126.ch021. 
  3. ^ Boonen, Jente; Bronselaer, Antoon; Nielandt, Joachim; Veryser, Lieselotte; De Tré, Guy; De Spiegeleer, Bart. Alkamid database: Chemistry, occurrence and functionality of plant N-alkylamides (PDF). Journal of Ethnopharmacology. 2012, 142 (3): 563–590 [2022-07-12]. PMID 22659196. doi:10.1016/j.jep.2012.05.038. hdl:1854/LU-2133714可免费查阅. (原始内容 (PDF)存档于2022-07-14). 
  4. ^ 《基础有机化学》第三版 上册,第69-70页.
  5. ^ 《基础有机化学》第三版 上册,第70页.
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