FARMACJA – Chemia organiczna 1 A N A L I Z A J A K O Ś

FARMACJA – Chemia organiczna
ANALIZA
JAKOŚCIOWA
–
CZĘŚĆ
DRUGA
ANALIZA GRUP FUNKCYJNYCH: ALDEHYDY, KETONY, KWASY KARBOKSYLOWE
I ICH POCHODNE, AMINY, ZWIĄZKI NITROWE
ALDEHYDY i KETONY
Aldehydy i ketony są związkami posiadającymi grupę karbonylową, w której atom
węgla jest połączony wiązaniem podwójnym z atomem tlenu. W aldehydach grupa
karbonylowa jest połączona z atomem wodoru i fragmentem węglowodorowym.
Wyjątkiem jest aldehyd mrówkowy, w którym grupa karbonylowa połączona jest z dwoma
atomami wodoru. Ogólny wzór aldehydów i ketonów można zapisać następująco:
O
R1
C
R2
ALDEHYDY
R1 = H lub grupa węglowodorowa
R2 = H
KETONY
R1 = grupa węglowodorowa
R2 = grupa węglowodorowa
Aldehydy i ketony tworzą szeregi homologiczne, w których każdy następny związek
różni się od poprzedniego grupą metylenową –CH2-. Właściwości fizyczne zmieniają się w
sposób regularny wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej.
Właściwości chemiczne aldehydów i ketonów są podobne i głównie uwarunkowane
obecnością w cząsteczce spolaryzowanej grupy karbonylowej. Atom węgla grupy
karbonylowej ma hybrydyzację sp2. Jego trzy zhybrydyzowane orbitale biorą udział w
tworzeniu trzech wiązań σ, które są ułożone pod kątem 120°. Czwarty niezhybrydyzowany
orbital p atomu węgla nakłada się z orbitalem p atomu tlenu, tworząc wiązanie π.
Polaryzacja wiązania, a więc przesunięcie elektronów π grupy karbonylowej w kierunku
atomu tlenu jest zależne od charakteru podstawników. Grupa alkilowa (podstawnik
odpychający
elektrony)
wykazuje
dodatni
efekt
indukcyjny
i
zwiększa
gęstość
elektronową na atomie tlenu (pojawia się cząstkowy ładunek ujemny). Jednocześnie
karbonylowy atom węgla (obdarzony cząstkowym ładunkiem dodatnim) jako elektrofil jest
podatny na działanie czynników nukleofilowych. Z tego powodu aldehydy i ketony łatwo
ulegają reakcjom addycji nukleofilowej. W przypadku ketonów, mniej reaktywnych niż
aldehydy, wymagane jest stosowanie ostrzejszych warunków reakcji.
Aldehydy, w przeciwieństwie do ketonów, są podatne na utleniane i polimeryzację.
Ketony można odróżnić od aldehydów za pomocą reakcji Trommera lub Fehlinga oraz
lustra srebrnego (Tollensa). Ketony tym reakcjom nie ulegają, z wyjątkiem cukrów z
grupy ketoz, takich jak fruktoza.
1
FARMACJA – Chemia organiczna
Wspólne reakcje aldehydów i ketonów
W chemii aldehydów i ketonów duże znaczenie odgrywają reakcje z pochodnymi
amoniaku typu H2N-Y, prowadzące do powstania związków, w których karbonylowy atom
tlenu zostaje zastąpiony atomem azotu wg schematu:
C
+
O
H2N
Y
C
N
+
Y
H2O
Reakcje tego typu pozwalają przeprowadzić analizowany aldehyd lub keton (ciekły) w
odpowiednią pochodną krystaliczną, którą można zidentyfikować poprzez określenie jej
właściwości fizycznych (kształt kryształów, temperatura topnienia), co w końcowym
efekcie prowadzi do identyfikacji macierzystego związku karbonylowego.
H3C
H3C
C
H
O +
NH2OH
C
N
+
OH
H2O
H oksym aldehydu octowego
hydroksyloamina
H3C
H3C
C
O +
H
NH2NH2
C
N
NH2 + H2O
H hydrazon acetaldehydu
hydrazyna
H3C
H3 C
C
O + H2N
C
NH
H
N
NH
+
H2 O
+
H2 O
H
fenylohydrazon
etanalu
fenylohydrazyna
H3C
H3 C
C
O + H2N
C
NH
H
N
NH
H
O2N
O2 N
2,4-dintrofenylohydrazyna
NO2
2,4-dinitrofenylohydrazon NO2
acetaldehydu
O
O
H3C
C
O +
NH2NH
H3C
C
C
NH2
H
aldehydów
N
NH2 + H2O
NH
H semikarbazon
acetaldehydu
semikarbazyd
2,4-Dinitrofenylohydrazony
C
i
ketonów
powstają
znacznie
szybciej
niż
hydrazony. Charakteryzują się intensywną barwą oraz wyraźną temperaturą topnienia.
2
FARMACJA – Chemia organiczna
Reakcje grupowe aldehydów
1.
Reakcja Schiffa
Odczynnik Schiffa jest to 1% wodny roztwór fuksyny (mieszanina barwników
trytylowych składająca się z chlorowodorków pararozaniliny, rozaniliny oraz wyższych
homologów zawierających 2 lub 3 pierścienie toluidynowe) nasycony tlenkiem siarki(IV).
Utworzona bezbarwna sulfonowa pochodna barwnika trifenylometylowego w wyniku
reakcji z aldehydem przekształca się w barwną pochodną zawierającą układ chinoidowy i
dwa ugrupowania sulfonamidowe. O pozytywnym wyniku próby świadczy zmiana barwy
mieszaniny reakcyjnej z bezbarwnej lub bladożółtej na fioletowopurpurową.
NH2 Cl
NH2
O
2 R
SO3H
H2SO3
H
- H2SO3
- HCl,
- H2O
H2 N
NH2
czerwony
chlorowodorek pararozaniliny
HN
NH
bezbarwny
S
O
OH
S
HO
O
NH2 HSO3
OH
R
O
R
O
S
H
2.
HO
O
S
N
H
fioletowopurpurowy
N
H
H
O
Próby redukcyjne. Reakcja Tollensa
Próby redukcyjne aldehydów świadczą o tym, że aldehydy łatwiej niż ketony
ulegają reakcji utlenienia do grupy karboksylowej (kwasowej). Reakcja ta jest możliwa w
obecności łagodnych utleniaczy (akceptorów elektronów), takich jak Cu2+ (reakcja
Trommera, Fehlinga), Bi3+ czy też Ag+.
3
FARMACJA – Chemia organiczna
W próbie Tollensa aldehyd ulega utlenieniu przy jednoczesnej redukcji kationu
srebrowego do metalicznego srebra, które osadza się na ściankach naczynia, w którym
prowadzona jest reakcja.
2AgNO3 + 2NaOH
Ag2O + 2NaNO3 + H2O
2[Ag(NH3)2]OH
Ag2O + 4NH3 + H2O
O
O
H3C
+ 2[Ag(NH3)2] + 3OH
+
C
-
H3C
+ 2Ag + 4NH3 + 2H2O
C
O-
H
Pozytywny wynik próby Tollensa daje także kwas mrówkowy, który wykazuje
właściwości redukujące.
2Ag + HCO3- + H2O + 4NH3
2[Ag(NH3)2]+ + HCOO- + 2OH-
W próbie Trommera lub Fehlinga (wykorzystywanych także w analizie cukrów) o
obecności grupy aldehydowej świadczy wytrącenie się ceglastoczerwonego osadu tlenku
miedzi(I).
Reakcje grupowe ketonów
1.
Próba bromonitrozowa (próba Piloty’ego i Stocka)
Przebieg
tej
reakcji
do
chwili
obecnej
nie
jest
do
końca
wyjaśniony.
Wykorzystywana jest tutaj zdolność przechodzenia ketonów w ketooksymy (reakcja z
hydroksyloaminą), które następnie ulegają przekształceniu w pochodne bromonitrozowe
(prawdopodobnie o strukturza R-C(NO)(Br)-R), posiadające niebieskie zabarwienie.
2.
Wykrywanie metyloketonów – próba Legala
Jest
to
reakcja
z
nitroprusydkiem
sodowym
w
środowisku
alkalicznym,
prowadząca do powstania czerwonobrunatnego osadu. Po zakwaszeniu kwasem octowym
zabarwienie zmienia się na czerwone lub niebieskie. Przebieg tej reakcji nie jest znany.
3.
Reakcja z m-dinitrobenzenem (wykrywanie metylo- i metylenoketonów)
Związki zawierające ugrupowanie –CH3 lub R-CH2- połączone z grupą karbonylową
w
wyniku
reakcji
z
meta-dinitrobenzenem
dają
brunatnoczerwone
„kompleksy
Meisenheimera”.
4
FARMACJA – Chemia organiczna
KWASY KARBOKSYLOWE I ICH POCHODNE
Kwasami organicznymi nazywamy związki, w których grupa funkcyjna –COOH
zwana grupą karboksylową jest związana z fragmentem węglowodorowym (alifatycznym
lub aromatycznym), w przypadku kwasu mrówkowego – z atomem wodoru.
Związki te oznacza się wzorem ogólnym:
O
R
COOH
lub
gdzie
R
R = H, CH3, C2H5, C5H6
OH
Grupa
karboksylowa
składa
się
z
grupy
karbonylowej
i
wodorotlenowej.
Właściwości tych grup nie są typowe, jak w aldehydach, ketonach i alkoholach. Ze
względu na bliskość i wzajemne oddziaływanie obu grup, właściwości ich są
zmodyfikowane i współzależne. Grupa karboksylowa ma charakterystyczne dla siebie
własności chemiczne, których nie można przewidzieć na podstawie właściwości
aldehydów, ketonów i alkoholi.
W zależności od liczby grup karboksylowych występujących w cząsteczce, kwasy
można podzielić na jedno-, dwu- i wielokarboksylowe. W zależności od rodzaju
podstawników występujących w cząsteczce kwasy karboksylowe dzielimy na:
 hydroksykwasy - w cząsteczce oprócz grupy –COOH występuje grupa –OH,
 aldehydokwasy - występuje również grupa formylowa (–CHO),
 oksokwasy - występuje również grupa karbonylowa,
 aminokwasy - występuje również grupa –NH2.
W zależności od rodzaju podstawnika węglowodorowego, z którym związana jest
bezpośrednio grupa karboksylowa, kwasy dzielimy na:
 alifatyczne - grupa karboksylowa wchodzi w skład łańcucha węglowodorowego,
 aromatyczne - grupa karboksylowa związana jest bezpośrednio z pierścieniem
aromatycznym.
W porównaniu z innymi związkami o zbliżonych masach molowych, kwasy
karboksylowe mają wyższe temperatury wrzenia. Podwyższenie temperatury wrzenia
wynika stąd, że grupa karboksylowa stwarza lepsze możliwości asocjacji cząsteczek niż
grupa hydroksylowa w alkoholach. Pomiędzy cząsteczkami kwasów wytwarzają się dwa
wiązania wodorowe, skutkiem czego jest powstawanie dimerów o budowie pierścieniowej.
H
O
O
CH3
H3C
O
H
O
5
FARMACJA – Chemia organiczna
Kwasy karboksylowe są związkami stosunkowo mało reaktywnymi. Grupa
karboksylowa, reprezentująca najwyższy występujący w związkach organicznych stopień
utlenienia atomu węgla, jest niewrażliwa na działanie silnych środków utleniających,
a jednocześnie odznacza się dużą odpornością na działanie reduktorów. Bezpośrednia
redukcja grupy –COOH jest możliwa tylko przy udziale silnych reduktorów.
Do najważniejszych reakcji grupy karboksylowej należą:
1.
Reakcje polegające na rozpadzie wiązania O-H w procesach dysocjacji
kwasowej
Kwasy karboksylowe są kwasami słabszymi niż większość kwasów nieorganicznych, są
natomiast mocniejsze od kwasu węglowego i fenoli.
O
O
H2O
+
H3C
+ H3O
H3C
OH
O
Kwasy karboksylowe reagują z zasadami, np. wodorotlenkiem sodu lub wodorowęglanem
sodu, czy też amoniak i aminy o różnej rzędowości. W reakcjach tych powstają
odpowiednie sole kwasów karboksylowych.
2.
Reakcje odbywające się przy atomie tlenu grupy karboksylowej
Reakcje
tego
odczynnikiem
typu
przebiegają
nukleofilowym
elektrofilowym.
i
z
udziałem
chętnie
jonu
oddziałuje
O
z
cząstkami
o
który
jest
charakterze
O

+
H3 C
karboksylanowego,
R

+
H3 C
Y
O
O
Y
R
Przykładem takiej reakcji jest tworzenie estrów w wyniku reakcji karboksylanów (soli
sodowych lub potasowych kwasów karboksylowych) z I-rzędowymi chlorowcoalkanami.
3.
Reakcje polegające na wymianie grupy –OH na inne podstawniki
Są to reakcje prowadzące do otrzymania bardziej reaktywnych pochodnych kwasów,
takich jak chlorki i bezwodniki kwasowe oraz mniej reaktywnych jak amidy, estry.
O
H3C
O
H3C
OH
4.
Y
gdzie:
Y = Cl - chlorki kwasowe;
Y = O-C(O)R - bezwodniki kwasowe;
Y = NH2, NHR, NR2 - amidy
Y = OR - estry
Reakcje dekarboksylacji
Podczas dekarboksylacji (inaczej dekarboksylowania) z cząsteczki kwasu karboksylowego,
jego soli albo estru usuwana jest grupa karboksylowa w postaci ditlenku węgla.
6
FARMACJA – Chemia organiczna
O
R
CH2
R
CH3 +
CO2
OH
5.
Reakcje podstawienia w łańcuchu bocznym
W wyniku wymiany atomów wodoru lub fluorowca (we fluorowcokwasach) w łańcuchu
bocznym na inne podstawniki otrzymywane są pochodne kwasów z nienaruszoną grupą
karboksylową. Przebieg tych reakcji jest uzależniony od położenia podstawnika względem
grupy karboksylowej.
Najmniej
reaktywnymi
pochodnymi
kwasów
karboksylowych
są
aniony
karboksylanowe, a najbardziej reaktywnymi są chlorki kwasowe. Przekształcanie kwasów
karboksylowych w ich pochodne wymaga aktywacji grupy karboksylowej polegającej na
zastąpieniu grupy hydroksylowej inną, lepiej odchodzącą grupą. Otrzymywanie amidów
bezpośrednio z kwasów karboksylowych nie jest możliwe, gdyż powstają odpowiednie sole
amonowe lub amoniowe, dopiero użycie chlorków lub bezwodników kwasowych pozwala
uzyskać amidy z wysoką wydajnością. Szereg reaktywności kwasów i ich pochodnych w
podstawieniu nukleofilowym można przedstawić następująco:
chlorek
kwasowy
RCOCl
> bezwodnik >
>
(RCO)2O
ester
>
amid
>
kwas
karboksylowy
>
jon
karboksylanowy
RCOOH
>
RCOO
> R1COOR2 > RCONH2 >
-
CHLORKI KWASOWE (HALOGENKI ACYLOWE)
Halogenki
acylowe
są
to
związki
powstałe
poprzez
podstawienie
grupy
hydroksylowej, znajdującej się w grupie karboksylowej, atomem fluorowca.
Chlorki kwasowe są otrzymywane poprzez działanie nieorganicznymi związkami chloru
takimi jak trój- i pięciochlorek fosforu lub chlorek tionylu.
3CH3COOH + POCl3
3CH3COCl + H3PO3
CH3COOH + POCl5
CH3COCl + POCl3 + HCl
CH3COOH + SOCl2
CH3COCl + SO2 + HCl
Obecność atomu fluorowca w cząsteczce halogenku kwasowego, poprzez ujemny efekt
indukcyjny, zwiększa polaryzację podwójnego wiązania węgiel-tlen przyczyniając się tym
samym do większej reaktywności w porównaniu z kwasami karboksylowymi. Halogenki
kwasowe łatwo i energicznie reagują z odczynnikami nukleofilowymi, czemu towarzyszy
wydzielanie ciepła.
7
FARMACJA – Chemia organiczna
Reakcje halogenków kwasowych możemy podzielić na dwie grupy:
1.
Reakcje ze związkami zawierającymi tzw. aktywny wodór
Halogenki kwasowe w reakcji z wodą tworzą kwasy karboksylowe, reakcja z alkoholami
(lub alkoholanami) prowadzi do powstania estrów, działanie amoniakiem lub aminami
daje amidy, a hydrazyną – hydrazydy. W reakcji z hydroksyloaminą powstają kwasy
hydroksamowe, z cyjankami – odpowiednie nitryle, natomiast reakcja z solami kwasów
organicznych prowadzi do powstania odpowiednich bezwodników kwasowych.
2.
Reakcje ze związkami aromatycznymi
W obecności kwasów Lewisa (FeCl3, AlCl3) działanie halogenkami acylowymi na benzen i
jego pochodne prowadzi do powstania odpowiednich ketonów zawierających układ
aromatyczny bezpośrednio połączony z karbonylowym atomem węgla. Jest to tzw. reakcja
Friedela-Craftsa).
O
O
CH3
AlCl3
+
CH3
+ HCl
Cl
acetofenon
BEZWODNIKI KWASÓW KARBOKSYLOWYCH
Bezwodniki kwasowe są to związki, w których dwie grupy acylowe są połączone ze
sobą poprzez jeden atom tlenu.
Bezwodników kwasowych kwasów jednokarboksylowych nie można otrzymać w wyniku
dehydratacji odpowiednich kwasów. Otrzymujemy je w wyniku reakcji:
a. kwasów i chlorków kwasowych;
b. chlorków kwasowych i soli (najczęściej sodowych) kwasów karboksylowych:
O
O
H3 C
O
+
H3C
Cl
O
CH3
NaO
+ NaCl
H3 C
O
bezwodnik octowy
Bezwodniki kwasów dikarboksylowych powstają przez dehydratację, która prowadzona
jest w wysokiej temperaturze.
O
O
OH
OH
kwas ftalowy O
T
O
-H2O
bezwodnik ftalowy O
8
FARMACJA – Chemia organiczna
Bezwodniki kwasowe reagują energicznie, podobnie jak chlorki kwasowe, z
wieloma odczynnikami nukleofilowymi.
O
H3C
O
O + :Nu
+ CH3COO-
H3C
H3C
Nu
O
W obecności wody bezwodniki kwasowe ulegają hydrolizie do odpowiednich kwasów
karboksylowych. W reakcji z alkoholami powstają estry, działanie amoniakiem prowadzi
do otrzymania amidów I-rzędowych, a aminami do amidów drugo- lub trzeciorzędowych.
Bezwodniki kwasowe wchodzą również w reakcję Friedela-Craftsa (reakcja acylowania
pierścienia aromatycznego w obecności kwasów Lewisa).
ESTRY KWASÓW KARBOKSYLOWYCH
Estry kwasów organicznych są związkami powstałymi przez podstawienie atomu
wodoru w grupie hydroksylowej alkoholu odpowiednią grupą acylową. Estry należy
rozpatrywać jako hybrydę rezonansową poniższych struktur:
O
O
H3C
H3C
O
CH3
O
CH3
Estry kwasów karboksylowych można otrzymać w wyniku reakcji acylowania
alkoholi lub fenoli kwasami, bezwodnikami, halogenkami kwasowymi. Najważniejszą
metodą otrzymywania estrów jest reakcja estryfikacji
Fischera, w której kwas
karboksylowy reaguje z alkoholem w obecności katalizatora (mocny kwas nieorganiczny).
O
H3C
C
CH3
+
OH
kwas octowy
HO
O
H+
CH
H3C
CH3
izopropanol
C
CH3
O
+ H2O
CH
octan izopropylu
CH3
Estry ulegają następującym reakcjom chemicznym:
1. amonolizie i aminolizie (odpowiednio reakcja z amoniakiem i aminami) w wyniku
czego powstają amidy;
2. hydrolizie kwasowej lub zasadowej w wyniku czego powstają kwasy karboksylowe i
alkohole;
3. tworzenia hydrazydów w reakcji z hydrazyną;
9
FARMACJA – Chemia organiczna
4. redukcji w wyniku czego powstają alkohole;
5. kondensacji Claisena.
Reakcje grupowe kwasów, estrów, halogenków i bezwodników kwasowych
1.
Próba na wytwarzanie estrów
W reakcji z alkoholami powstają estry o charakterystycznym zapachu, często owocowokwiatowym. Próba ta pozwala wykluczyć obecność alkoholu w badanej próbce, natomiast
przebieg reakcji umożliwia potwierdzenie obecności kwasu lub jego reaktywnych
pochodnych.
Reakcja pomiędzy kwasem i alkoholem wymaga podwyższonej temperatury oraz udziału
katalizatora, z reguły mocnego kwasu nieorganicznego. Bezwodniki i chlorki kwasowe
reagują dość szybko z wydzieleniem ciepła. W przypadku chlorków dodatkowo w reakcji
wydziela się chlorowodór (gaz o ostrym, przenikliwym zapachu).
2.
Próba hydroksamowa
Reakcja polega na otrzymaniu kwasów hydroksamowych, które z chlorkiem żelaza(III)
tworzą sole kompleksowe o charakterystycznym czerwonym lub czerwonobrunatnym
zabarwieniu. Przeprowadzenie pozytywnej próby dla kwasów karboksylowych wymaga ich
uprzedniego przekształcenia w reaktywne pochodne, np. halogenki kwasowe.
W przypadku estrów kwasy hydroksamowe powstają w środowisku zasadowym,
natomiast w przypadku halogenków i bezwodników kwasowych – w środowisku
kwasowym.
O
O
+ NH2OH
CH3CH2
+ HY
CH3CH2
Y
NHOH
Y = -Cl, -OC(O)R, -OR
kwas propanohydroksamowy
NH
O
3 CH3CH2
CH2CH3
CH3CH2
O
+ Fe3+
NHOH
O
HN
+ 3H+
O
Fe
O
O
O
NH
CH2CH3
barwny związek koordynacyjny
10
FARMACJA – Chemia organiczna
AMIDY KWASOWE
Amidami kwasowymi nazywamy pochodne amoniaku, w którym atom wodoru
zastąpiony jest grupą acylową. Amidy otrzymuje się:
1. przez ogrzewanie soli amonowych odpowiednich kwasów karboksylowych albo przez
ogrzewanie kwasów karboksylowych z mocznikiem,
2. w wyniku amonolizy lub aminolizy chlorków kwasowych, bezwodników kwasowych
oraz estrów,
3. w wyniku hydrolizy nitryli.
Amidy ulegają następującym reakcjom:
1.
hydrolizie kwasowej; powstają wówczas wolne kwasy karboksylowe oraz sól
amonowa (w przypadku hydrolizy amidu I-rzędowego) lub amoniowa (w przypadku
amidów II- i III-rzędowych);
O
O
+ H2O
H3C
H3O+
+ NH3
H3C
NH2
OH
NH3 + H3O+
NH4+ + H2O
reasumując:
O
O
+ H3O+
H3C
NH2
2.
+ NH4+
H3C
OH
hydrolizie zasadowej; powstają wtedy sole kwasów karboksylowych oraz uwalnia
się amoniak lub odpowiednia amina (w przypadku hydrolizy amidu II- i IIIrzędowego);
O
O
-
+ H2O
H3C
OH
+ NH3
H3C
NH2
OH
O
O
+ OH-
H3C
+ H2O
H3C
OH
O
reasumując:
O
H3 C
O
+ OH-
NH2
+ NH3
H3 C
O
3.
redukcji do amin pierwszorzędowych o tej samie liczbie atomów węgla;
4.
dehydratacji do nitryli pod działaniem środków odwadniających, np. pięciotlenku
fosforu;
11
FARMACJA – Chemia organiczna
5.
z kwasem azotowym(III) tworząc odpowiednie kwasy karboksylowe;
6.
degradacji Hofmanna do odpowiednich amin pod wpływem podbrominu lub
podchlorynu.
AMINY
Aminy można uważać z pochodne amoniaku, w którym jeden lub kilka atomów
wodoru zostało zastąpionych resztami alkilowymi lub arylowymi. Aminy są klasyfikowane
na podstawie liczby podstawników alkilowych lub arylowych związanych z atomem azotu:
AMINY:
I-rzędowa
R
NH2
II-rzędowa
III-rzędowa
H
N
R1
R2
R1
R2
N
R3
Aminy mogą występować w postaci gazowej, ciekłej lub stałej. Aminy odznaczają
się charakterystycznymi zapachami, często podobnymi do zapachu amoniaku lub ryb.
Niskocząsteczkowe aminy alifatyczne podobnie jak amoniak rozpuszczają się dobrze w
wodzie, źle zaś w organicznych rozpuszczalnikach niepolarnych. Aminy zawierające
rodniki alifatyczne o długim łańcuchu węglowym lub aromatyczne o większej masie
cząsteczkowej są w wodzie praktycznie nierozpuszczalne.
Aminy wykazują charakter zasadowy i to – w przypadku amin alifatycznych – nieco
silniejszy aniżeli ich substancja macierzysta, jaką jest amoniak. Ten silniejszy od
amoniaku charakter zasadowy wynika z obecności grup alkilowych (dodatni efekt
indukcyjny) przy atomie azotu. Wolna para elektronowa atomu azotu w aminach
warunkuje jej elektronodonorowe właściwości i określa zdolności do wiązania protonów
odszczepionych
od
cząsteczek
kwasów,
co
jak
wiemy
stanowi
o
zasadowych
właściwościach związku.
Aminy tworzą z kwasami sole. Większość tych soli odznacza się wyraźną formą
krystaliczną,
dzięki
czemu
służyć
mogą
do
wyodrębniania,
charakterystyki
i
identyfikowania amin.
H
H3 C
NH2 + HCl
H3 C
N
H Cl
H
chlorek metyloamoniowy
Aminy alifatyczne reagują nie tylko z protonami powstałymi z dysocjacji kwasów, lecz
-
również „wymuszają” dysocjację wody. Wytworzony jon OH powoduje, że roztwory amin
posiadają odczyn alkaliczny. Powstający wodzian aminy CH3NH2×H2O jest analogiczny do
wodzianu amoniaku NH3×H2O.
12
FARMACJA – Chemia organiczna
H
H
H3C
NH2 + HOH
H3C
H
N
H3C
O
N
H
H
H OH
H
wodzian aminy
Aminy aromatyczne mogą przyłączać protony wytworzone w wyniku dysocjacji kwasów,
nie powodują natomiast dysocjacji wody. Nie barwią papierka lakmusowego.
Zasadowy charakter amin jest najwyraźniejszy w przypadku drugorzędowych amin
alifatycznych, a najsłabszy w przypadku trzeciorzędowych amin aromatycznych.
R-NH-R

RNH2
>
NH3
>
ArNH2
>
Ar-NH-Ar
>
Ar-N-Ar
Ar
Badanie rzędowości amin
1.
Reakcja z kwasem azotowym(III)
Kwas azotowy(III) działa na aminy w sposób bardzo charakterystyczny, dzięki
czemu możemy określić ich rzędowość. Aminy alifatyczne I-rzędowe pod jego wpływem
tworzą, nawet w niskich temperaturach, alkohole i wydzielają azot oraz wodę.
Drugorzędowe aminy alifatyczne tworzą N-nitrozoaminy (substancje nierozpuszczalne w
wodzie, o charakterze oleistych cieczy), natomiast alifatyczne aminy III-rzędowe nie
reagują z kwasem azotowym(III).
CH3NH2 + HNO2
CH3OH + N2 + H2O
(CH3)2NH + HNO2
(CH3)2N-N=O + H2O
N-nitrozoamina
(CH3)3N + HNO2
X
Kwas azotowy(III) działa również specyficznie na aminy aromatyczne zwłaszcza na
I-rzędowe, dając sole diazoniowe, które po lekkim ogrzaniu przekształcają się w fenole
wydzielając wolny azot.
N
NH2
N Cl
+ 2HCl + NaNO2
+ NaCl + 2H2O
chlorek benzodiazoniowy
N
N
N
OH
N
+ 2H2O
T
+ N2 + H 3 O
13
FARMACJA – Chemia organiczna
Te same sole diazoniowe w obniżonej temperaturze (0°C) i zasadowym środowisku ulegają
reakcji sprzęgania z fenolami lub aminami aromatycznymi tworząc barwne związki
azowe.
N
N Cl
OH
+ OH
+
N
OH + H2O + Cl
N
Uwaga: Grupa azowa jest silnym chromoforem, a połączona z dwoma rodnikami arylowymi tworzy
trwałe azozwiązki charakteryzujące się bogatą paletą barw (od żółtej do czarnej). Większość
barwników azowych
posiada
zabarwienie
czerwone
lub
zbliżone
do
czerwonego
(żółtopomarańczowe, pomarańczowe, czerwone, purpurowe, bordowe). Jest to ważna cecha
rozpoznawcza barwników azowych. Odpowiednią barwę otrzymuje się stosując różne kombinacje
soli diazoniowych, amin oraz fenoli o różnej budowie. Barwniki azowe zawierają również inne
polarne grupy, pogłębiające barwę, zapewniające rozpuszczalność w wodzie i poprawiające
wiązanie się barwnika z barwionym materiałem.
Barwniki azowe pod wpływem kwasów i zasad zmieniają barwę i niektóre z nich mogą być
wykorzystywane jako wskaźniki kwasowo-zasadowe:
CH3
CH3
CH3
CH3
N
N
N
N
N
N
N
N
H+
OHH3C
H+
OHH3C
H3C
H3C
N
N
N
N
N
N
N
N
O
OH
O
forma anionowa
(odmiany mezomeryczne)
b. purpurowa
H
OH
forma kationowa
b. niebieska
forma obojętna
b. czerwonopomarańczowa
SUDAN IV
Drugorzędowe aminy aromatyczne w reakcji z HNO2 dają żółto zabarwione, oleiste
N-nitrozoaminy.
O
N
+ HNO2
NH
+ H2O
N
CH3
CH3
Natomiast III-rzędowe aminy aromatyczne w reakcji z kwasem azotowym(III) tworzą
barwne pochodne p-nitrozowe.
CH3
CH3
N
+ HNO2
CH3
ON
+ H2O
N
CH3
Kwas azotowy(III) nie działa na heterocykliczne zasady III-rzędowe (pirydyna, pirymidyna
itp.)
14
FARMACJA – Chemia organiczna
2.
Reakcja z ninhydryną
Inną reakcją, która pozwala na rozróżnienie rzędowości amin jest reakcja z
ninhydryną. Ninhydryna (wodzian triketoindanu) reaguje na zimno z I-rzędowymi
aminami alifatycznymi z wytworzeniem fioletowego barwnika tzw. purpury Ruhemanna.
Jest to bardzo czuła reakcja, stosowana do wykrywania minimalnych ilości amin i
aminokwasów.
O
O
O
OH
+ NH2CH2R
OH
N
- 2H2O
O
N
CH2R
O
O
O
O
N
+ H2O
CH2R
NH2
O
O
+ RCHO
O
O
O
CHR
O
HO
N
NH2 +
+ 2H2O
HO
O
O
OH
O
purpura Ruhemanna
Drugorzędowe aminy alifatyczne reagują z ninhydryną po ogrzaniu z wytworzeniem
związków o zabarwieniu żółtym, brązowym lub bordowym. Budowa większości tych
związków nie jest znana. Trzeciorzędowe aminy alifatyczne nie reagują z ninhydryną, nie
reagują z nią też żadne aminy aromatyczne.
3.
Reakcja z odczynnikiem Okhumy
Reakcja
Okhumy
jest
reakcją
charakterystyczną
trzeciorzędowych
amin
alifatycznych. Odczynnik Okhumy otrzymywany jest przez rozpuszczenie na gorąco 1 g
kwasu cytrynowego w 100 cm3 bezwodnika octowego. Chemizm reakcji nie jest znany,
powstają połączenia o barwie czerwonej.
ZWIĄZKI NITROWE
Związki nitrowe są to pochodne związków organicznych, które posiadają grupę –
NO2 połączoną z atomem węgla łańcucha alifatycznego lub aromatycznego. Związki
nitrowe są izomerami strukturalnymi estrów kwasu azotowego(III).
O
CH3
CH2
nitroetan
N
CH3
O
CH2
O
N
O
azotan(III) etylu
15
FARMACJA – Chemia organiczna
W zależności od charakteru fragmentu węglowodorowego, z jakim jest związana grupa
nitrowa, związki nitrowe dzielimy na alifatyczne i aromatyczne. Ze względu na rzędowość
atomu węgla odróżniamy związki nitrowe I-rzędowe, II-rzędowe oraz III-rzędowe.
Aromatyczne nitrozwiązki mogą być tylko III-rzędowe.
Strukturę grupy nitrowej można przedstawić za pomocą wzorów granicznych
struktur mezomerycznych. Rysując wzory związków nitrowych należy stosować właśnie
te formy w celu przedstawienia grupy nitrowej.
O
O
R
N
R
czyli
O
N
R
R
N
O
O
O
N
O
O
formy mezomeryczne
Związki nitrowe alkanów otrzymuje się stosunkowo trudno. Reaktywność atomów
węgla alkanów w bezpośrednim nitrowaniu jest zależna od rzędowości i zmienia się
następująco:
III-rzędowe
>
II-rzędowe
>
I-rzędowe.
Alifatyczne nitrozwiązki ulegają następującym reakcjom chemicznym:
1. redukcji wodorem in statu nascendi w środowisku kwaśnym dając początkowo
hydroksyloaminy, a następnie odpowiednie aminy.
R
NO2
R
NHOH
R
NH2
2. z mocnymi zasadami tworząc sole rozpuszczalne w wodzie; właściwość ta jest
wykorzystywana w celu ustalenia rzędowości związków nitrowych. Alifatyczne związki
nitrowe I- i II-rzędowe są obojętne, jednak można je zaliczyć do mocnych kwasów. Są
zdolne do tautomerii i mogą występować w formie „nitro” oraz „aci”. Związki nitrowe
III-rzędowe (w
tym aromatyczne)
nie tworzą soli
H
R
C
O
R
N
C
O
H
aldehydami;
typu
N
C
OH
I-
z
i
N
H
OMe
sól
połączeniami
II-rzędowe
z metalami.
O
forma "aci"
aldolowego
nitroalkany
R
MeOH
H
forma "nitro"
3. kondensacji
O
karbonylowymi,
przekształcają
się
szczególnie
w
z
odpowiednie
nitroalkohole.
H
O
H
-
CH3
+ CH3
C
H
NO2
OH
CH3
NO2
OH
H
16
FARMACJA – Chemia organiczna
4. z kwasem azotowym(III), co pozwala ustalić rzędowość nitrozwiązku. I-rzędowe
nitroalkany pod wpływem HNO2 dają kwasy nitrolowe o barwie błękitnej, która pod
wpływem zasad ulega zmianie na czerwoną. Związki II-rzędowe pod wpływem HNO2
tworzą pseudonitrole nierozpuszczalne w alkaliach, posiadające barwę błękitną lub
błękitnozieloną.
H
R
C
H
O
+ HONO
N
R
R
C
O
R
R
+ HONO
O
H
związek nitrowy
II-rzędowy
O
C
N
ON
+ H2O
ONa
sól sodowa
kwasu nitrolowego
czerwona
kwas nitrolowy
O
N
R
N
ON
związek nitrowy
I-rzędowy
R
C
O
H
O
O
C
N
+ H2O
O
ON
niebieski związek
pseudonitrolowy
5. chlorowaniu w łańcuchu bocznym; uprzywilejowaną pozycją jest pozycja α względem
grupy nitrowej.
Aromatyczne związki nitrowe otrzymuje się głównie w wyniku bezpośredniego
nitrowania.
Reakcja zachodzi
łatwo,
co
jest
charakterystyczną
cechą
związków
aromatycznych. Do nitrowania używa się zazwyczaj mieszaniny H 2SO4 i HNO3 (tzw.
mieszanina nitrująca). Podstawienie grupy nitrowej zachodzi w pierścieniu aromatycznym
według mechanizmu substytucji elektrofilowej. Grupa nitrowa jest podstawnikiem
drugiego rodzaju (silnie elektronegatywna), silnie deazaktywuje pierścień benzenowy na
dalsze podstawienie elektrofilowe. Jeżeli dalsza substytucja pierścienia benzenowego
zachodzi, to następny podstawnik jest kierowany przez grupę nitrową w pozycję meta, co
wynika z rozkładu ładunku w aromatycznym związku nitrowym.
O
O
O
N
O
N
O
O
O
O
N
N
O
O
N
Obecność grup nitrowych obok innych grup funkcyjnych w cząsteczkach innych
związków
wpływa
modyfikująco
na
ich
właściwości
chemiczne.
W
chlorowconitrozwiązkach atom chlorowca łatwo ulega odszczepieniu i wymianie na azot
lub siarkę. Fenolowa grupa OH nitrofenolach zwiększa swoją stałą dysocjacji
17
FARMACJA – Chemia organiczna
(nitrofenole są dość mocnymi kwasami). Grupa SO3H w pochodnych sulfonowych,
podobnie jak chlorowiec, łatwo ulega odszczepieniu.
Mononitrozwiązki
Nitrozwiązki
alifatyczne
aromatyczne,
nitroksyleny)
są
z
ciałami
są
małymi
bezbarwnymi
wyjątkami
stałymi
lub
jasnożółtymi
(nitrobenzen,
nierozpuszczalnymi
w
o-,
cieczami.
m-nitrotoluen,
wodzie,
o
dość
charakterystycznym zapachu. Polinitrozwiązki aromatyczne są intensywnie zabarwionymi
na żółto ciałami krystalicznymi. Ciekłe nitrozwiązki silnie załamują światło.
Wykrycie grupy nitrowej w związkach aromatycznych polega na jej redukcji. W
zależności od warunków reakcji mogą powstać N-arylohydroksylaminy lub aminy
aromatyczne.
Ze
aromatycznych
względu
redukcja
na
łatwość
wprowadzenia
nitrozwiązków
znalazła
grup
szerokie
-NO2
do
układów
zastosowanie
do
laboratoryjnego i przemysłowego otrzymywania amin aromatycznych. Do najczęściej
stosowanych środków redukujących należą metale (zwłaszcza żelazo metaliczne oraz na
+2 stopniu utlenienia), SnCl2 oraz wodór w obecności katalizatorów (Pt, Pd, Ni).
RNO2 + 6Fe(OH)2 + 4H2O
NO2
RNH2 + 6Fe(OH)3
NO
2e-, 2H+
2e-, 2H+
-H2O
nitrobenzen
NH2
NHOH
2e-, 2H+
-H2O
nitrozobenzen
fenylohydroksyloamina
anilina
Nitrozwiązki w reakcji z aminami aromatycznymi tworzą połączenia kompleksowe
o zabarwieniu żółtopomarańczowym.
Pytania sprawdzające
1. Omów budowę grupy karbonylowej w aldehydach i ketonach. Wyjaśnij, na czym
polega polaryzacja wiązania C=O.
2. Na czym polega reakcja Schiffa?
3. W jaki sposób można odróżnić aldehydy od ketonów? Podaj kilka sposobów i
odpowiednie obserwacje.
4. Na czym polega próba lustra srebrnego? Napisz równania cyklu reakcji zachodzących
podczas tej próby dla propanalu.
5. Podaj przykłady kwasów jednokarboksylowych oraz ich bezwodników. Napisz
równania otrzymywania odpowiednich halogenków acylowych.
18
FARMACJA – Chemia organiczna
6. Dlaczego kwasy karboksylowe mają wyższe temperatury wrzenia niż inne związki o
podobnej masie cząsteczkowej?
7. Napisz równania reakcji otrzymywania octanu propylu trzema różnymi metodami.
8. Na czym polega i jakich związków dotyczy próba hydroksamowa?
9. Napisz
równania
reakcji
jakie
należy
przeprowadzić,
aby
uzyskać
kwas
butanohydroksamowy z kwasu butanowego.
10. Jak odróżnić od siebie kwas octowy i bezwodnik octowy?
11. W
trzech
probówkach
znajdują
się
metyloamina,
etylometyloamina
i
etylodimetyloamina. Jak odróżnić je od siebie. Co zaobserwujesz?
12. Na czym polega próba ninhydrynowa? Jakie związki dają w tej próbie pozytywny
wynik?
13. Dlaczego zwilżony papierek uniwersalny barwi się pod wpływem metyloaminy?
Wyjaśnij podając odpowiednie równanie reakcji.
14. Jak odróżnić od siebie aminy aromatyczne o różnej rzędowości? Podaj odpowiednie
równania reakcji.
15. Jak odróżnić od siebie benzen, aminobenzen i nitrobenzen, podaj odpowiednie
równania reakcji i obserwacje.
16. Uszereguj
następujące
aminy
według
rosnącego
charakteru
zasadowego:
trietyloamina, etyloamina, dimetyloamina, anilina.
19