Organska azotna jedinjenja

1. 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

2. 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

3. 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: N-etil-N-metil-butilamin N,N-dimetilpentilamin

4. Nomenklatura (nastavak) • Složene linearne poliamine najlakše je imenovati tzv. zamenskom nomenklaturom 3,9-dimetil-3,6,9-triazadodekanska dikiselina

5. Dobijanje amina • Amonoliza halogenalkana

6. Reakcija se može završiti dajući kvaternernu amonijumovu so

7. Redukcija nitrila (alkil-cijanida) • Adicijom vodonika na CN trogubu vezu nitrila nastaju primarni amini • Kao najbolji katalizatori pokazali su se platina i Raney nikal • metoda za produžavanje niza C-atoma

8. 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

9. 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:

10. 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: butilamin brometan N-etil-butilamin (2) butanon metilamin N-metil-sek-butilamin (2)

11. anilin (1) N-metilanilin (2) N,N-dimetilanilin (3) N-etil-butilamin (2) N-etil-N-metil-butilamin (3)

12. Čisti tercijarni amini dobijaju se iz dialkil-hloramina i Grignard-ovog reagensa R2NH + Cl2 + NaOH R2NCl + NaCl + H2O R2NCl + R'MgCl R2NR' + MgCl2

13. Reduktivna aminacija • Reakcija predstavlja redukciju aldehida i ketona u prisustvu amonijaka • Redukcija se može izvršiti katalitički, ili pomoću natrijum-cijanoborhidrida, NaBH3CN.

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

15. 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. • Tendencija reakcije da krene dalje od željenog stadijuma može se prilično dobro kontrolisati proporcijama reaktanata i retko predstavlja ozbiljniji problem

16. 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

17. 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.

18. 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

19. 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)

20. 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: • U odsustvu drugih faktora, red baznosti alkil-amina bio bi: NH3 > RNH2 > R2NH > R3N • Ukupni efekat na baznost n-alkilamina u vodi, što potvrđuju i eksperimentalni podaci, ukazuje na red baznosti R2NH > RNH2 > R3N > NH3

21. 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

22. Acilovanje • Uvođenjem acil-grupe u 1o i 2o amine dobijaju se N-supstituisani amidiamidi 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

23. Reakcije sa aldehidima i ketonima • Enaminska reakcija • Sekundarni amini reaguju sa aldehidima koji imaju H-atom na -C-atomu dajući enamine • Mannich-ova reakcija • Aldehidi i ketoni koji imaju α-vodonikov atom reaguju sa formaldehidom i sekundarnim aminima u slabo kiselojsredini dajući dialkil-aminometil-derivate karbonilnog jedinjenja

25. 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 • Tercijarni amini ostaju u rastvoru kao soli, iz kojih se natrag mogu dobiti dodatkom alkalija

26. 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

27. Aromatični amini • Aromatični amini imaju amino-grupu ili alkil- odnosno aril- supstituisanu amino-grupu vezanu direktno za aromatičniprsten • Nomenklatura • Aromatični amini mogu biti primarni, sekundarni ili tercijarni • Poznatiji su pod uobičajenim imenima

28. Nomenklatura (nastavak) • Sekundarni ili tercijarni amini nazivaju se kao derivati primarnih amina, ili kao derivati amonijaka

29. Aromatični amini. Dobijanje • Redukcijom oksidovanih azotnih jedinjenja

30. Amonolizom halogenskih derivata • Halogen vezan za aromatičniprsten 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

31. 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.

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

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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)

38. Oksidacijaaromatičnog 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 • Aminofenoli se oksiduju vrlo lako u hinone, koji opet dalje podležu reakcijama oksidacije i/ili kondenzacije.

39. 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.

40. 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:

41. Nitrovanje (nastavak) • Rezonancijom amidne grupe smanjuje se interakcija usamljenog elektronskog para na azotu sa aromatičnim prstenom (odnosno njegova delokalizacija na prsten): • zaštitom (acilovanjem) amino-grupe smanjuje se njeno aktivirajuće dejstvo i omogućava nitrovanje aromatičnog prstena. • Amidna grupa je aktivirajuća i orto, para- usmeravajuća za reakcije elektrofilne aromatične supstitucije:

42. p-izopropilanilin p-izopropilacetanilid 4-izopropil-2-nitroacetanilid (98%) (94%)

43. Nakon što je N-acil zaštitna grupa obavila svoju ulogu, može se ukloniti hidrolizom, čime se oslobađa amino-grupa: • Soli aromatičnih amina takođe se mogu nitrovati. Reakcija se izvodi u koncentrovanoj H2SO4, a glavni proizvod je m-nitroanilin.

44. 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 količinao- 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

45. Trivijalna imena za o-, m- i p-aminobenzensulfonske kiseline su ortanilna, metanilna i sulfanilna

46. 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

47. 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

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

49. Reakcija sa azotastom kiselinom • Primarni amini • daju diazonijum-soli na oko 0oC • Sekundarni amini • Ponašaju se kao sekundarni alifatični amini, dajući N-nitrozoderivate

50. Tercijarni amini • daju p-nitrozo derivate • Do reakcije dolazi zbog jakog aktivacionog efekta dimetilamino-grupe • kao so u kiselom rastvoru dimetilamonijum-grupa je dezaktivirajuća i meta-usmeravajuća • Aktivaciono dejstvo dimetilamino-grupe zavisi od mogućnosti za rezonanciju, odnosno mogućnosti da ona zauzme koplanaran položaj sa benzenovim prstenom.