«Амиды и имиды карбоновых кислот на примере формамида, сукцимида, ε-капролактам. Полиимиды»

СОДЕРЖАНИЕ

«Амиды и имиды карбоновых кислот на примере формамида, сукцимида, ε-капролактам. Полиимиды» 1

СОДЕРЖАНИЕ 2

АМИДЫ И ИМИДЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ, ЛАКТАМЫ 3

1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ 3

2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ 3

3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 4

АМИДЫ 4

ИМИДЫ 7

4. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ 11

Литература 14

АМИДЫ И ИМИДЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ, ЛАКТАМЫ

1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Амиды и имиды карбоновых кислот получают взаимодействием карбоновых кислот или их функциональных производных с аммиаком или аминами. Наиболее трудно реагируют сами карбоновые кислоты. Вначале образуются аммониевые соли, которые при нагревании выше 200 °С превращаются в амиды или имиды:

 - и -Аминокарбоновые кислоты легко циклизуются в лактамы:

Легко реагируют с аммиаком и аминами ацилгалогениды, ангидриды, сложные эфиры:

2. Физические свойства и строение

Амиды и имиды представляют собой бесцветные кристаллические вещества или жидкости, растворяющиеся в воде и органических растворителях. Амиды, в молекулах которых имеются связи N—Н, ассоциированы вследствие образования межмолекулярных водородных связей и имеют более высокие температуры кипения.

В молекулах амидов осуществляется значительное взаимодействие между неподеленной электронной парой атома азота и п-электронной системой двойной связи С=O. Образуется сопряженная система связей, изменяются природа связей С—N и С=O и распределение электронной плотности. В результате связь С—N становится короче, а связь С=O несколько длиннее по сравнению с несопряженными соединениями:

Атомы амидной группировки С(CO)N находятся в одной плоскости, вращение по амидной связи С—N в значительной степени заторможе­но, связь имеет некоторый характер двойной связи. Это можно изобразить резонансными формулами:

3. Химические свойства амиды

Амиды отличаются по своим свойствам от сложных эфиров. У них более выражено взаимодействие с электрофильными реагентами, но уменьшена реакционная способность с нуклеофилами. Это объ­ясняется уменьшением — I-эффекта групп в ряду CI, OOCR, OR¹, NH₂ (>^I>^II>^III) и увеличением электронодонорного +М-эффекта (^IV<^V<^VI<^VII):

Кроме того, для амидов характерен ряд реакций с участием связей N—Н:

(здесь Х=Сl, Вr).

1. Основность. По сравнению с аминами амиды карбоновых кис­лот являются слабыми основаниями ввиду сильного взаимодейст­вия неподеленной электронной пары атома азота с карбонильной группой. Присоединение протона обычно происходит по атому кис­лорода:

Протонированная форма амидов имеет структуру имидовых кислот и является сильной ОН-кислотой. Например, рK_вн+ ацетамида равен 0,1, бензамида —2, капролактама 0,4.

Имиды являются очень слабыми основаниями, в этом они срав­нимы со спиртами и эфирами.

В протонированной форме амидов положительный заряд на углеродном атоме значительно больше, чем в амидной форме. Это способствует реакциям со слабыми нуклеофильными реагентами.

2. NH-Кислотность. Если в молекуле амида имеется связь N—Н, возможна ионизация. Амиды являются слабыми NH-кислотами. Повышенная кислотность амидов по сравнению с аминами объясняется сильным влиянием карбонильной группы (эффект со­пряжения, делокализация отрицательного заряда в анионе):

Кислотность ацетамида (рK_а=15) сравнима с кислотностью ме­танола, кислотность бензамида рK_а= 13,5.

Имиды являются более сильными NH-кислотами, так как атом азота находится под влиянием двух карбонильных групп:

3. Реакции нуклеофильного замещения. В реакциях с нуклео­фильными реагентами может произойти замещение группы NH₂ (NR₂):

Реакционная способность амидов меньше, чем сложных эфиров. Наиболее известны реакции с водой (гидролиз) и спиртами (алкоголиз).

Гидролиз амидов легко происходит в присутствии щелочи или кислоты и очень медленно — в нейтральной среде.

В присутствии щелочи амиды превращаются в соль карбоновой кислоты и аммиак (амины):

Если R¹ или R² являются водородными атомами, промежуточно образуется также анион амида.

Присутствие кислоты активирует молекулу амида (протонирование), поэтому происходит реакция со слабыми О-нуклеофилами — водой и спиртами:

(R³=H, Alk).

Имиды в реакциях с нуклеофилами более активны, так как влия­ние атома азота на одну карбонильную группу меньше.

4. Образование и превращения N-галогенамидов. N-Незамещенные или N-монозамещенные амиды легко галогенируются у атома азота. Обычно действуют галогенами в присутствии оснований:

N-Галогенамиды являются весьма нестабильными соединения­ми и обладают свойствами окислителя. Их применяют в качестве галогенирующих реагентов. Разрыв связи N—галоген может осу­ществиться гомолитически:

Особой реакционной способностью обладают N-галогенамиды связью N—Н, которые в щелочной среде образуют соли:

Соли N-галогенамидов при нагревании превращаются в первич­ные амины:

Впервые эту реакцию наблюдал А. Гофман в 1881 г. (расщепление амидов по Гофману).

Промежуточными продуктами в реакции Гофмана являются изоцианаты, которые образуются в результате перегруппировки своеоб­разных частиц — ацилнитренов. Ацилнитрены — аналоги кето-карбенов — образуются из N-галогенамидов:

Изоцианаты очень легко реагируют с водой и образуют карбами новые кислоты, которые декарбоксилируются:

5. Взаимодействие с электрофильными реагентами, дегидрата­ция. Электрофильные реагенты атакуют кислородный атом. Силь­ные алкилирующие реагенты дают производные имидоэфиров (гл. XXXIII. Ж.1). Сильные кислоты Льюиса вызывают дальнейшие превращения. N-Незамещенные амиды превращаются в нитрилы (гл. XXXIII. К.1):

N,N-Дизамещенные амиды с РОС1₃ дают производные хлорангидрида имидокислот — активные ацилирующие реагенты. На­пример, N,N-диметилформамид с РОС1₃ дает соль N.N-диметил-хлорформимидиния — активный формилирующий реагент:

ИМИДЫ

Присутствие двух карбонильных групп в молекуле имидов увеличивает кислотность атома водорода аминогруппы, снижает нуклеофильность как атома кислорода, так и азота, а также увеличивает дефицит электронов на карбонильном атоме углеро­да. Если принять во внимание указанные различия, то реакции имидов можно рассматривать как достаточно близкие к реакциям амидов. Так, например, с большим трудом, чем в случае имидов протекают хорошо известные реакции нуклеофильного присоеди­нения к карбонильному атому углерода (гидролиз или реакция с реактивами Гриньяра), а также реакции с электрофильными ре­агентами (алкилгалогенидами, ацилирующими и галогенирующи-ми агентами и карбонильными соединениями). Вместе с тем имеется несколько примеров реакций с нитрозирующими и нит­рующими агентами, а также с галогенангидридами неограниче-с.ких кислот. Имиды достаточно устойчивы к окислению, но легко восстанавливаются и подвергаются фотолизу.

Гидролиз имидов легко проходит как в кислой, так и в основ­ной среде, при этом основной катализ имеет место при низких рН (=3), некатализируемый процесс реализуется при рН 2— 3, а кислотный катализ протекает при рН менее 1,5. В результате гидролиза происходит разрыв N-ацильной связи и имид деацилируется до амида. В случае циклических имидов продуктами яв­ляются амидовые кислоты, которые в зависимости от условий могут подвергаться дальнейшему гидролизу до дикарбоновых кислот и амина или аммиака.

Механизм катализируемого основаниями гидролиза сукцинимидов относительно прост и включает первоначальную атаку ^_ОН на карбонильный углерод и последующее образование тетраэдрического интермедиата, который затем распадается с раз­рывом связи С (О)—N.

Наблюдаемое влияние размера цикла (в случае циклических имидов) и природы заместителей у атома N' можно было ожи­дать, например происходит возрастание скорости реакции при переходе от пятичленных (планарных) к шестичленным циклам вследствие меньшей стерической затрудненности карбонильного атома углерода, а также при замене N-алкильных групп на N-фенильные. Фталимид проявляет необычные свойства, вероятно, из-за сильной ионизации очень кислой группы N—Н. Скорость реакций зависит от рН, но наличие электронооттягивающего заместителя в положении 4 облегчает гидролиз при рН 7—10; при более высоких рН скорость реакции не зависит от рН и не зависит от природы заместителя. Напротив, ско­рость гидролиза N-арилфталимидов зависит от рН даже при вы­соких значения рН. Катализируемый кислотой гидролиз имидов затруднен и обычно требует продолжительного нагревания при 80—100°С. Поэтому промежуточно образующийся амид не вы­деляют, но гидролизуют дальше до карбоновой кислоты и ам­миака или амина. Поскольку скорость реакции растет с увели­чением кислотности, ее механизм включает, вероятно, атаку воды на протонированный субстрат. Образуются ли в данном слу­чае О- или N-сопряженные кислоты, точно не установлено.

Наблюдалось возрастание скорости гидролиза фталимидов за счет влияния соседних карбоксильных групп, а также за счет нуклеофильного катализа соседних имидазольных и ами­ногрупп.

Как и в случае амидов, хорошо известна атака на карбо­нильный атом углерода имидов таких нуклеофильных реагентов как спирты (сольволиз), амины, гидроксиламин и гидразин, ко­торая приводит в первых двух случаях к раскрытию цикла с образованием амидовых эфиров и диамидов соответственно. В случае гидразина и гидроксиламина происходит последующее замыкание цикла, которое сопровождается включением в имидный цикл более нуклеофильного NH₂- и НО-замещенного атома азота с образованием 1,1-диацилгидразинов и N-ацилгидроксамовых кислот соответственнно.

Имиды, как и амиды, взаимодействуют с карбанионами (по­лученными из реактивов Гриньяра) по карбонильному атому углерода. Первой стадией реакции является образова­ние замещенного -гидроксилактама, затем в зависимости от при­роды реактива Гриньяра может протекать дегидратация или раскрытие цикла:

Конкретные примеры таких ре­акций рассмотрены в упомянутых выше обзорах. В связи с по­вышенным по сравнению с амидами дефицитом электронов на карбонильном углероде имиды могут присоединять некоторые ме­нее активные карбанионы, такие как анионы из цинка и -галогенэфиров или фосфоранов (реакции Реформатского и Виттига, давая алкилиденовые производные; а также взаимодействовать с ацетиленидом натрия, давая гидроксилактамы.

Алкилирование имидов алкилгалогенидами обычно протекает в основных условиях (т. е. с калиевой или серебряной солью имида) при 150—180 °С и приводит к N-алкилпроизводным.

Эта реакция составляет основу синтеза аминов по Габриэлю, в котором получение амина состоит в мягком гидро­лизе имида после алкилирования алкилгалогенидом. Алки­лирование в нейтральных условиях более активными солями оксо-ния или алкилсульфатами изучено недостаточно. Однако имеются данные о внутримолекулярном О-алкилировании имида со­седней галогеналкильной группой, что приводит к возникновению N-ацилгетероциклической соли в качестве интермедиата с после­дующим раскрытием цикла и образованием амидового эфира.

Эта реакция аналогична получению лактамов из ω-галогеналкиламидов. Как и в случае амидов, при взаимодействии 2 моль амида натрия с соответствующим имидом (например, глутаримидом), происходит образование карбаниона (в -положенни по отношению к карбонилу) и аниона азота, однако обычно преимущественно алкилируется карбанион, а не азот.

Реакции имидов с альдегидами и кетонами очень близки ана­логичным реакциям вторичных амидов. Так, формальдегид, аце­тон и изобутиральдегид реагируют в нейтральных или основных условиях, давая соответствующие N--гидроксиалкильные произ­водные, которые в случае высших гомологов могут далее дегидратироваться.

Ацилирование незамещенных имидов хлорангидридами или ангидридами кислот приводит к триациламинам (RCO)₃N. Име­ются косвенные доказательства того, что в слабоосновных усло­виях (например, в пиридине) реакция протекает через промежу­точное образование О-ацильных производных. При взаимо­действии с более активными ацилирующими агентами, например с кетенами и с изопренильными эфирами, образуются N-замещенные продукты, аналогичные получаемым из амидов. В случае N-алкилдиацетамидов дальнейшее заме­щение по азоту невозможно, однако с помощью ¹⁴С-меченого ук­сусного ангидрида в пиридине продемонстрирован факт транс-ацилирования.

N-Галогенимиды, получаемые из соответствующего имида действием молекулярного галогена или гипогалогенит-иона, являются хорошо известными источниками атомарного или поло­жительно заряженного галогена. Широкое применение в синтезе нашел главным образом N-бромсукцинимид. Гетеролитиче-ское бромирование под действием N-бромсукцинимида (т. е. че­рез НОВr или Вr^_) может происходить: в водной среде, когда присоединение к олефинам идет согласно правилу Марковникова; в концентрированной H₂SO₄ где замещение в ароматическом кольце протекает согласно орто/пара-ориентации, а также в смеси пиридина и трет-бутанола, где вторичные спирты подвер­гаются -замещению. Гомолитическое галогенирование под действием N-бромсукцинимида (т. е. через Hal-) протекает либо при облучении УФ-светом, либо в присутствии инициаторов ради­кальных реакций, например пероксидов. Типичными реакциями такого типа являются замещение аллильного или бензильного атома водорода (реакция Воля — Циглера), замещение в аромати­ческом ядре или даже замещение водорода у насыщенного атома углерода. Эти реакции являются цепными радикальными процессами; их детали зависят от природы N-галогенимида.

Другими интересными, но менее важными реакциями N-гало-генимидов являются введение СНг-группы между азотом и гало­геном по связи Н—Hal, а также ка­тализируемая основаниями перегруппировка N-галогенфталимида, приводящая к изоцианатам (аналогичная реакция Гофмана для амидов).

Данные по нитрованию и нитрозированию имидов отсутствуют, а количество примеров реакций с галоганангидридами неорганиче­ских кислот незначительно. Взаимодействие РС1₅ с глутаримидом приводит к ди-, три- и тетрахлорированным пиридинам, об­разование которых объясняется процессом, уже рассмотренным в случае амидов. РОС1₃ реагирует аналогичным образом.

Имиды очень устойчивы к окислению, и на них не действуют такие реагенты, как оксид азота, оксид хрома и перманганат ка­лия. Это свойство имидов дало возможность применить удобный метод защиты амидных групп (путем превращения в имид) в процессе окисления других фрагментов молекулы. Имиды гладко восстанавливаются с помощью таких стандартных мето­дов, как взаимодействие с комплексными гидридами металлов, каталитическое гидрирование и электрохимическое восстановле­ние. Из циклических имидов обычно образуются -гидроксилактамы, лактамы и амины.

Электрохимическое вос­становление на свинцовом или на амальгамированном цинковом катоде, а также восстановление LiAlH₄ обычно приводит к полу­чению лактамов. При действии LiAlHi наличие заместителей в кольце может способствовать образованию -гидроксилактамов. Каталитическое гидрирование обычно приводит к амидам. Хотя как имиды, так и амиды, поглощают в УФ-области приблизительно при той же длине волны, фотохимия имидов до по­следнего времени не вызывала интереса. Известные сейчас фо­топерегруппировка Фриса ароматических имидов и пере­нос атома хлора в N-хлоримидах в -положение ацильной боко­вой цепи напоминают процессы, описанные в случае амидов.

Другими интересными перегруппировками под действием УФ-света являются расширение

цикла N-алкиламидов

и раскрытие имидного кольца с образованием ацилизоцианата.

Последняя реакция может конкуриро­вать с реакциями фотоиндуцированного бромирования.