酰胺

酰基碳与胺类相连的化合物

胺(amide)是指 羧酸 中的 羟基 被 氨基 (或 胺基 )取代生成的化合物,也可看成是氨(或胺)的氢被 酰基 取代而生成的化合物, 即实际上就是羧酸的 衍生物 , 通式为RCONR'R''(R、R'、R''可以是氢和 烃基 )。 常见的酰胺有 甲酰胺 、 乙酰胺 等。 自然界中也广泛分布, 哺乳纲 体内的 蛋白质 、某些抗生素(如 苄青霉素 G)、部分生物碱(如 秋水仙碱 、 常山碱 等)均含有酰胺键, 其中 蛋白质 中存在的 肽键 也是由一个氨基酸的α- 羧基 与另一个氨基酸的α-氨基缩合形成的酰胺键。

常温下,除 甲酰胺 外,绝大多数酰胺都是固体, 熔点 、 沸点 比相对分子质量相近的 羧酸 高。一般来说,低级酰胺易溶于水,随着相对分子质量的增大, 溶解度 逐渐减小。 酰胺可用相应的羧酸、 酰卤 或 酸酐 与氨(胺)反应或 Beckmann重排 反应制得。 此外,还可以通过如 施密特 (Schmidt)反应 、 里特 (Ritter)反应等制备。

酰胺在医学领域应用广泛,比如可用作 维生素 (如 烟酰胺 )、麻醉药、抗生素如 苄青霉素 等; 在工业领域,低分子液态酰胺可用作优良的非 质子 极性 溶剂 、 塑化剂 、润滑油添加剂等,长链 脂肪酸 酰胺可作纤维织物的 防水剂 、非离子型 表面活性剂 以及 合成纤维 的柔软剂等。 此外,还用于制作肥料、饲料添加剂等。

分布

酰胺广泛分布于自然界。例如, 蛋白质 是以酰胺键相连的高分子化合物(蛋白质中存在的 肽键 是由一个 氨基 酸的α- 羧基 与另一个氨基酸的α-氨基缩合形成的酰胺键 ),其严格来说是酰胺的 均聚物 。蛋白质可分为植物性蛋白质和动物性蛋白质两大类。植物蛋白质中,以 豆类 蛋白质含量最高,肉类蛋白质营养价值优于植物蛋白质。 此外,蛋白质代谢的最终产物 尿素 也属于酰胺。

一些构成蛋白质的氨基酸也属于酰胺,如谷氨酰胺(主要分布在 甜菜 中)、 天门冬 酰胺(主要分布在 石刁柏 中)等 。 维生素 类如 烟酰胺 的分布也比较广,其在动植物组织中都有, 如肾、肝、肌肉、乳汁、 蛋黄 、花生等, 其中以肉产品较多。

此外, 苄青霉素 (如青霉素G、青霉素N等 )以及许多生物碱如 秋水仙碱 、 常山碱 、 麦角菌 碱等 分子结构 中均含有酰胺键。 其中青霉素G分布在 青霉菌 中; 青霉素N主要分布在头孢 霉菌 中; 秋水仙碱主要分布在 土贝母 ,鲜 黄花菜 等植物中; 常山碱主要分布在常山根中; 麦角 碱主要分布在麦角菌内。

生理作用

在自然界分布最广的酰胺就是 蛋白质 , 蛋白质不仅是构成机体和生命的物质基础,也是各类酶和激素的主要成分。其具有调节 体液 渗透压 平衡;经氧化后释放能量,以及对机体起免疫保护和运输营养物质等作用。 构成蛋白质的氨基酸有一些也属于酰胺如谷氨酰胺和 天门冬 酰胺。谷氨酰胺具有重要的生理功能,是人体内 生物合成 核酸 的必需物质、器官与组织之间氮与碳转移的载体,也是 蛋白质 合成与分解的调节器以及肾脏排泄氨的重要基质等。 此外, 石刁柏 中的 天门冬 酰胺也对人体有许多特殊的生理作用,如可以提高人体的免疫力,从而使 细胞 恢复正常生理状态。

除 蛋白质 以外,也还有一些有很重要生理作用的较简单的酰胺类化合物,如 苄青霉素 (如青霉素G、青霉素N等 ),能杀死或抑制其它微生物的生长。 烟酰胺 是生物体内 脱氢 辅酶 的组成部分,参与 糖类 、脂肪和 蛋白质 的代谢,起传递 电子 和 质子 的作用。

结构和命名

结构

酰胺是氨或胺分子中 氮 上的氢原子被 酰基 取代所形成的化合物。酰胺可看作是氨或胺的 衍生物 ,也可以看作是 羧酸 的衍生物。其中氨分子中的一个氢被酰基取代为酰胺;酰胺分子中的—NH 2 基上的一个氢被R基团取代,为N-取代酰胺;—NH 2 基上的两个氢被R基团取代,为N,N-二取代酰胺。其通式可表示如下:

由于酰胺分子中氮原子上的孤对电子和 羰基 之间可以形成p-π共轭,因此 一水碳酸钠 键和碳氮键的键长趋于平均化,其结构也可以表示如下:

命名

简单酰胺可根据 氨基 所连的 酰基 命名,称为“某酰胺”。例如:

取代酰胺的命名,为了区别氮上的 烃基 和酰基上的烃基,将 氮 上的 取代基 放在“某酰胺”前面,用“N-某基”来表示(用N表示该烃基连在氮原子上);也可称为“某酰某胺”。例如:

若氨基的氮原子上连有两个 酰基 ,则称为“某二 酰亚胺 ”。例如:

理化性质

物理性质

常温下,除 甲酰胺 外,绝大多数酰胺都是固体, 酰胺分子中含有 羰基 和 氨基 ,它们分子间能形成 氢键 。由于酰胺分子间氢键缔合能力较强,因此其 熔点 、 沸点 甚至比相对分子质量相近的 羧酸 大冶市还地桥高级中学 。当酰胺中氮原子上的氢被 烷基 取代后,由于缔合程度减小,脂肪族N- 基取代酰胺一般为液体,熔点和 沸点 也降低。液体酰胺不但可以溶解 有机化合物 ,而且也可以溶解许多 无机化合物 ,是良好的 溶剂 。其中,N,N- N,N-二甲基甲酰胺 [HCON(CH 3 ) 2 ](简称DMF)是优良的 极性 非 质子 性溶剂。

低级酰胺易溶于水,随着相对分子质量的增大, 溶解度 逐渐减小。 虽然 氢键 可以提高酰胺相对于烃( 烷烃 、 烯烃 、 炔烃 和 芳香族化合物 )的水溶性,但酰胺通常还是被认为是水溶性低的化合物。与同类酸或醇相比,它们的水溶性显著降低,这是因为它们的非离子特性、非极性烃 官能团 的存在以及叔酰胺无法向水提供氢键(它们只能是氢键受体)。因此,酰胺的水溶性与 大致相当。通常,酰胺的溶解度低于类似的胺和 羧酸 ,因为胺和羧酸既可以给予也可以接受氢键,并且可以在适当的pH值下 电离 以进一步提高溶解度。

一些常见酰胺的物理常数如下:

化学性质

酸碱性

氨基 中 氮 上有一对孤 电子 ,易与氢 质子 结合而显示碱性。但在酰胺分子中,氨基与 羰基 的 碳 相连,氮原子上的孤 电子对 与 基之间形成p-π 共轭体系 ,使氮原子上的 电子云 密度降低,其结合质子的能力减弱,所以酰胺一般接近中性。而在 酰亚胺 分子中,氮原子与两个羰基相连,氮原子上的电子云密度更低,使氮原子上所连的氢原子活性增强,从而表现出一定的酸性。例如:

水解与脱水反应

酰胺是一种 羧酸衍生物 ,能发生与 酰卤 、 酸酐 和酯相类似的反应。但酰胺的反应活性低于其他羧酸衍生物。酰胺的 水解 反应必须在酶、 强酸 或 强碱 的 催化 下,长时间回流才能进行。例如:

酰胺在P 2 O 5  、SOCl 2 等强脱水剂存在下加热也可以发生脱水反应,产物为 ,这也是制备腈的一种方法。此方法尤其适用于制备用 卤代烃 和NaCN的 亲核取代 难以制备的腈。例如:

醇解反应

酰胺在酸性条件下醇解为酯:

氨(胺)解反应

酰胺与氨(胺)反应,可以生成一个新的酰胺核一个新的胺,因此,反应也可以看做酰胺的交换反应。

与有机金属化合物反应

酰胺也能与 金属有机化学 反应,但氮上的活泼氢将首先反应,然后再发生亲和加成。

霍夫曼降解反应

酰胺可与次卤酸盐发生霍夫曼反应,生成少一个 碳 的 伯胺 :

与亚硝酸反应

与伯胺相同,具有伯 氨基 的酰胺( 氮 上的两个氢原子未被取代的酰胺,也称为伯酰胺)也可以与 亚硝酸 反应,放出 氮气 ,同时生成 羧酸 :

还原反应

在有 氢化铝锂 作 催化剂 的条件下,酰胺可被还原为胺:

Vilsmeier-Haack反应

以N-取代的 甲酰胺 为甲酰化试剂,在 三氯氧磷 催化 下,在芳环上引入 甲酰基 的反应称为维路斯梅尔- 哈克 (Vilsmeier-Haack)反应。

Bischler–Napieralski 反应

比西勒-纳皮拉尔斯基(Bischler-Napieralski) 环化 反应是制备 喹啉 类化合物通用的方法之一。一般需要强脱水剂和高 沸点 溶剂 。三氯氧磷溶解在 离子液体 中可以很好地完成Bischler-Napieralski环化反应,得到较高产率的目标产物异 啉类化合物。

应用领域

医学领域

在医学领域,多种药物都属于酰胺类:比如 烟酰胺 ,也叫做 pp ,其主要用于防治 烟酸缺乏症 及 口炎 、 舌炎 等,还有防治心脏传导阻滞、提高窦房结功能及抗快速型实验性 心律失常 的作用; 临床上常用局麻药多为酰胺类,如 利多卡因 、 布比卡因 和 罗哌卡因 等,其中利多卡因为中效局麻药,布比卡因、罗 卡因和丁卡因则属长效局麻药; 吡嗪酰胺 结构类似烟酰胺,对 分枝杆菌 有效,可与其他抗 结核病 药物联合用于治疗结核病。

除上述酰胺类药物外,还有: 对乙酰氨基酚 又名对乙酰氨基酚,其 化学 名为N-(4- 苯酚 基) 乙酰胺 ,临床上广泛用于感冒、发烧、头痛、关节痛、 神经痛 及 经痛 等症的治疗; 此外,青霉素G,是 青霉烷 中的一种常用药物,主要作用于 革兰阳性菌 、革兰阴性球、菌 嗜血杆菌属 及各种致病 螺旋体 等; 以及 麦角 酰二胺(英文缩写 LSD ),其高浓度对外周5-HT受体有拮抗作用,低浓度则为激动作用,可引起 幻觉 。

工业领域

低分子液态酰胺如二甲基甲酰胺、 二甲基乙酰胺 等是优良的非 质子 极性 溶剂 ,由于它们的溶解能力极强,被广泛应用于各种化学反应; 也可用作 塑化剂 、润滑油添加剂和 有机合成 试剂。

长链 脂肪酸 酰胺,如 硬脂酸酰胺 可作纤维织物的 防水剂 ; 芥酸酰胺 是 聚乙烯 、 聚丙烯 挤塑时的 润滑剂 ;N,N-二 羟乙基 长链 脂肪酸 酰胺是非离子型 表面活性剂 ,也是 氯乙烯 乙酸乙烯酯 共聚物 的增塑剂;N-磺 烷基 取代的长链脂肪酸酰胺是 合成纤维 的柔软剂。其他酰胺如 二元羧酸 与二元胺缩合聚合形成的 聚酰胺 是具有优异性能的合成纤维。

其他

碳酸 的全酰胺 尿素 ,主要用作肥料,也可用来制备 脲醛树脂 。 烟酰胺 也广泛用于饲料添加剂、生化剂、 发色剂 、 电镀 光亮剂 、 植物生长调节剂 头发生长 促进剂 等。

制备

氨解反应

酰胺可用相应的 羧酸 、 酰卤 或 酸酐 与氨(胺)反应制得。但是,若羧酸与氨或碳酸 反应,生成的是羧酸 铵盐 ,铵盐受强热或在脱水剂的作用下加热,在分子内失去一分子水后才能形成酰胺。胺也能够作为 亲核试剂 进攻 羰基 官能团 ,生成酰胺。例如:

贝克曼重排反应

或醛肟在 五氯化磷 、 硫酸 、 多聚磷酸 、 苯磺酰氯 等酸性试剂作用下发生分子重排生成酰胺。这种由肟变成酰胺的重排反应叫做Beckmann( 美国贝克曼库尔特 )重排。

其他

腈也可以部分 水解 ,生成酰胺。 此外,还可通过如 schmidt 反应、Willgerodt- Kindle 反应、Passerini反应、Ugi反应、Bodroux反应、Chapman重排、Ritter反应等制备酰胺。

重要酰胺及其衍生物

尿素

尿素又称 ,是 506-87-6 的二酰胺。尿素是 哺乳纲 体内 蛋白质 代谢的最终产物,存在于动物的尿中。许多含氮化合物在代谢过程中所释放的氨是有毒的,通过转变为尿素从尿中排出而使氨的浓度降低。正常成人每天排泄的尿中约含尿素30g。 尿素为 无色 晶体 , 熔点 133℃,易溶于 水和 乙醇 ,难溶于 乙醚 。其除了有酰胺的一般 化学性质 外,因两个 氨基 连在一个 羰基 上,又有与一般酰胺不同的性质,如将 尿素 加热到稍高于它的熔点时,则发生双分子缩合,2分子尿素脱去1分子氨而生成 双缩脲 ; 也可与 硝酸 、 食用醋酸 生成不溶性盐。

DMF

N,N-二 甲基 甲酰胺 (DMF),又称二甲基甲酰胺, 分子式 为HCON(CH 3 ) 2 ,无色液体,有氮的气味,能与水和大多数有机 溶剂 以及 无机化合物 液体 混溶 。其主要用作 萃取 乙炔 、 丁二烯 1,3 乙烯 没药树 和 丙烯腈 拔丝 的溶剂,在气液色谱中用作固定相。

参考资料

  1. 酰胺 中国大百科全书 2024-03-04
  2. amide 新世界百科全书 2024-03-06