Амиды

Первичные и вторичные амиды представляют собой кристаллические вещества (за исключением жидких формамида и N-метилформамида); третичные амиды — жидкости. В воде хорошо растворяются лишь низшие алифатические амиды[2].

Строение амидной группы в кристаллических амидах[4]

Строение амидной группы изучалось методом рентгеноструктурного анализа. Было показано, что в кристаллических амидах оно примерно одинаково. Амидная группа является плоской, атомы С', C, O, N лежат в одной плоскости, но атомы водорода при атоме азота не лежат в этой плоскости. Углы вокруг карбонильного атома углерода имеют следующие значения: α(С'-C=O) = 124°, α(С'-C-N) = 115°, α(N-C=O) = 121°. Длины связей равны: l(C'-C) = 1,52 Å, l(C=O) = 1,24 Å, l(C-N) = 1,34 Å. Определён также угол α(H-N-R) у вторичных амидов: он составляет 115°. Длины связей при атоме азота равны: l(N-H) = 0,95 Å, l(N-R) = 1,44 Å. В газовой фазе у амидов чуть укорочена связь C=O (с 1,24 до 1,19-1,21 Å) и удлинена связь C-N (с 1,34 до 1,36-1,37 Å); углы остаются примерно теми же[4].

Исследование ряда амидов как в твёрдой, так и в газовой фазе показало, что существует обратная связь между длинами связей C=O и С-N: при увеличении одной вторая укорачивается. Связывают это с тем, что атом азота в амидной группе находится в сопряжении с карбонильной группой и в реальную структуру вносят вклад две резонансные структуры А и В. С увеличением вклада полярной структуры В длина связи C=O увеличивается, а длина связи C-N уменьшается[5].

Резонансные структуры амидов

Из-за наличия системы сопряжения связь C-N имеет частично двоевязный характер, поэтому вращение вокруг неё затруднено и амиды могут существовать в виде цис/транс-изомеров. У вторичных амидов сильно преобладают транс-изомеры: небольшую долю цис-изомеров удалось обнаружить только в том случае, если группа R при карбонильном атоме углерода — это водород. Даже такой объёмный заместитель R' как трет-бутил предпочитал находиться рядом с кислородом, чем с менее объёмным водородом. У третичных амидов преимущественная конфигурация более очевидно связана со пространственными затруднениями[6].

Химсдвиги протонов метильных групп ДМФА в CDCl₃[7]

В спектрах ЯМР протоны амидной группы дают сигнал в области 5—8 м. д.[2]. Поскольку вращение вокруг амидной связи затруднено, два атома водорода при атоме азота в амидах типа RCONH₂ дают два отдельных сигнала, не усредняясь даже при температурах выше комнатной. Например, в формамиде HCONH₂ протон, находящийся в цис-положении к атому кислорода группы С=О, является более экранированным. В N,N-диалкиламиды две алкильные группы также имеют различное магнитное окружение и дают отдельные сигналы. Например, в диметилформамиде HCONMe₂ более экранированной является также метильная группа, более близкая к атому кислорода. Химический сдвиг этих заместителей сильно зависит от растворителя; в ароматических растворителях их положение может меняться[8].

В ИК-спектрах амиды характеризуются двумя типами колебаний: колебаниями связи N-H выше 3000 см^–1 и колебаниями связи C=O в области 1700—1600 см^–1[2].

Амиды образуются при нагревании карбоновых кислот с аммиаком или первичными и вторичными аминами. Этот процесс возможен благодаря тому, что аммиак и амины являются более сильными нуклеофилами, чем вода и спирты. Пространственно затруднённые карбоновые в эту реакцию не вступают, хотя некоторые промышленно важные амиды, например сукцинимид и фталимид, получают именно так[9].

${\displaystyle {\mathsf {CH_{3}COOH+NH_{3}\rightarrow CH_{3}CONH_{2}+H_{2}O}}}$

Наиболее вероятным механизмом этого превращения является механизм присоединения — отщепления, поскольку по такому механизму протекает обратная реакция гидролиза амидов. В случае дикарбоновых кислот промежуточно образуются их ангидриды. Амиды нельзя проацилировать простым нагреванием с карбоновой кислотой, поскольку при этом происходит реакция переацилирования[10]. Для аминокислот эта реакция осуществляется внутримолекулярно: при этом они превращаются в циклические амиды — лактамы. Например, при нагревании до 180 °С гамма-аминомасляная кислота даёт гамма-бутиролактам[9].

Универсальным методом получения амидов является ацилирование аммиака, первичных и вторичных аминов хлорангидридами и ангидридами карбоновых кислот, кетенами и сложными эфирами[9].

Большинство таких реакций протекает по механизму присоединения — отщепления. Согласно этому механизму, чем выше частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода, тем выше скорость реакции. Соответственно, ацилирующие реагенты можно расположить в ряд активности: RCOR < RCONR₂ < RCOOR < (RCO)₂O < RCOHal < RCOBF₄. Также скорость реакции зависит от нуклеофильности амина, которую условно можно связать с основностью амина: алкиламины > ариламины > амиды. Внутримолекулярное ацилирование происходит легче, чем межмолекулярное[11].

В реакции с хлорангидридами происходит выделение хлороводорода, поэтому в реакцию необходимо брать двойное количество амина, чтобы второй эквивалент связал этот хлороводород. Образующаяся аммониевая соль выпадает в осадок и фильтруется. Как следствие, максимальный выход амида из амина составляет 50 %. Как вариант, можно использовать другие органические и неорганические основания, чтобы повысить выход. Например, в реакции Шоттена — Баумана используется гидроксид натрия или гидроксид калия. Из органических оснований применяются пиридин, диметиланилин, триэтиламин и др.[12]

Нитрилы можно в контролируемых условиях гидролизовать до амидов. Гидролиз протекает как в кислой, так и в щелочной среде. Например, ароматические амиды и амиды затруднённых карбоновых кислот получают гидролизом серной кислотой, поскольку для них стадия гидролиза до карбоновой кислоты протекает медленно. Для многих же незатрудённых нитрилов этот способ не подходит, потому что амид легко гидролизуется дальше. Также в качестве кислотных катализаторов используют соляную кислоту, фосфорную кислоту и трифторид бора[13].

${\displaystyle {\mathsf {RCN+H_{2}O\rightarrow RCONH_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {RCONH_{2}+H_{2}O\rightarrow RCOOH+NH_{3}}}}$

Основный катализ для этих реакций использовался реже из-за дальнейшего гидролиза амида. Надёжным способом из этой группы является использование щелочного раствора пероксида водорода[13].

Также нитрилы можно превратить во вторичные амиды по реакции Риттера. В этом случае нитрилы алкилируются по атому азота карбокатионами, полученными из алкенов и концентрированной серной кислоты, давая вторичный амид[9]. Эту реакцию можно провести, заменив алкены на соответствующие спирты[14].

Алкены и спирты, дающие в кислой среде вторичные карбокатионы, вступают в реакцию Риттера медленнее, чем те, которые дают третичные карбокатионы. Первичные спирты ввести в эту реакцию можно только в очень жёстких условиях. Также для генерирования карбокатионов использовали разветвлённые алканы и циклоалканы, алкилгалогениды и карбоновые кислоты[14].

В промышленности используется метод получения амидов через перегруппировку Бекмана. В этой реакции оксимы вводят в реакцию с минеральными кислотами, кислотами Льюиса или полифосфорной кислотой. В лабораторных условиях этот метод не применяется, однако на практике он полезен для перегруппировки жирноароматических кетонов, доступных благодаря реакции ацилирования по Фриделю — Крафтсу, а также для получения лактамов[9][15].

Существует ряд других перегруппировок, которые также приводят к амидам. Среди них перегруппировка Шмидта, реакция Вильгеродта и др.[15]

При действии горячей воды или водного пара амиды гидролизуются. Реакция протекает медленно, поскольку вода обладает низкой реакционной способностью по отношению к амидам: некоторые амиды даже перекристаллизовывают из неё. Гидролизу способствует щелочная либо кислая среда: в первом случае атаку на амид осуществляет более нуклеофильный гидроксид-ион OH^-, а во втором случае амид протонируется по атому кислорода, из-за чего амидная группа становится более восприимчивой к атаке[16].

${\displaystyle {\mathsf {RCONH_{2}+H_{2}O\rightarrow RCOOH+NH_{3}}}}$

Почти все амиды гидролизуются в щелочной среде. Реакция ускоряется, если в амиде присутствуют электроноакцепторные группы, и замедляется при наличии пространственных затруднений. Катализ может осуществляться не обязательно протоном или гидроксид-ионом: возможен и общий кислотно-основный катализ[17][18].

Амиды устойчивы к восстановлению, и лишь сильные восстановители (гидриды, натрий в жидком аммиаке и электролиз) вступают с ними в реакции. При обработке первичных амидов алюмогидридом лития в диэтиловом эфире или тетрагидрофуране они восстанавливаются до первичных аминов. Аналогично, вторичные амиды дают вторичные амины, а третичные амиды — третичные амины. Лактамы в этих условиях дают циклические амины. Также в этих реакциях можно использовать диборан и электролиз[19][20].

${\displaystyle {\mathsf {RCONR_{2}\rightarrow RCH_{2}NR_{2}}}}$

N,N-Диалкиламиды можно контролируемо восстановить до альдегидов: в этом случае вместо алюмогидрида лития удобнее использовать более слабый восстановитель триэтоксиалюмогидрид лития LiAlH(OEt)₃, получаемый из LiAlH₄ и этанола. Также такое восстановление можно провести под действием гидрида диизобутилалюминия и натрия в жидком аммиаке[19][20].

${\displaystyle {\mathsf {RCONR_{2}\rightarrow RCHO+R_{2}NH\rightarrow RCH_{2}OH+R_{2}NH}}}$

Первичные амиды отщепляют воду, давая нитрилы, под действием хлористого тионила, оксалилхлорида и оксихлорида фосфора. Наилучшим вариантом считается использование хлористого тионила в ДМФА. Также с этой целью используют трифторуксусный ангидрид в присутствии пиридина[21].

Первичные амиды легко разлагаются на холоде раствором азотистой кислоты, при этом выделяется азот и образуется соответствующая карбоновая кислота. В практическом плане преимущество имеют алкилнитриты RONO и тетрафторборат нитрозония NO⁺BF₄^-. Вторичные амиды, по аналогии с аминами, дают N-нитрозоамиды[22][23].

${\displaystyle {\mathsf {RCONH_{2}+HNO_{2}\rightarrow RCOOH+H_{2}O+N_{2}}}}$

Первичные и вторичные амиды реагируют с NaOCl, NaOBr, давая соответствующие N-хлорамиды или N-бромамиды. Сами эти соединения являются селективными галогенирующими реагентами (типичным примером является N-бромсукцинимид). Также N-галогенамиды в избытке щёлочи вступают в перегруппировку Гофмана, отщепляя при этом молекулу CO₂ и давая амин, имеющий на один атом углерода меньше, чем исходный амид[24].

Металлоорганические соединения, такие как реактивы Гриньяра и алкиллитиевые реагенты, могут присоединяться к карбонильной группе амида. Такие реакции с первичными и вторичными амидами бесполезны, поскольку реагент взаимодействует с кислым протоном при атоме азота и превращается в соответствующий алкан. Третичные амиды дают с реактивами Гриньяра прочные продукты присоединения, которые при обработке водной кислотой дают кетоны. Диметилформамид даёт соответствующий альдегид[25].

${\displaystyle {\mathsf {RCONMe_{2}+R'MgX\rightarrow [RR'C(NMe_{2})OMgX]\rightarrow RCOR'+MgX_{2}+Me_{2}NH}}}$

При использовании избытка реактива Гриньяра происходит формальное замещение карбонильного атома кислорода двумя алкильными группами[25].

${\displaystyle {\mathsf {HCONMe_{2}+2RMgX\rightarrow R_{2}CHNMe_{2}+MgO+MgX_{2}}}}$

Амиды обладают очень слабо выраженными кислотными и основными свойствами. Реагируя со щелочными металлами, они дают соли, легко разлагаемые водой. Некоторые соли тем не менее устойчивы (ртутная соль ацетамида используется при протравке зерна). Амиды способны присоединять протон в присутствии сильной кислоты, образуя соли.