カルバメート

有機化学において、カルバメートは、一般式R ₂ NC(O)OR、構造>N−C(=O)−O−を有する有機化合物のカテゴリであり、正式にはカルバミン酸（NH ₂ COOH ）から誘導される。この用語には、1つ以上の水素原子を他の有機官能基で置き換えることによって正式に得られる有機化合物（例：エステルのエチルカルバメート）や、カルバメートアニオンH ₂ NCOO ⁻との塩（例：アンモニウムカルバメート）が含まれる。^[1]

繰り返し単位がカルバメートのような基−NH−C(=O)−O−で結合したポリマーは、プラスチックの重要なファミリーであるポリウレタンです。詳細については § 語源 を参照してください。

カルバミン酸は不安定ですが、多くのカルバミン酸エステルと塩は安定しており、よく知られています。^[2]

水溶液中では、カルバメートアニオンはアンモニウム NHとゆっくりと平衡化する。⁺
₄陽イオンと炭酸塩 CO²⁻³
_...または重炭酸塩 HCO⁻
₃陰イオン: ^{[3] [4] [5]}

H ₂下士官−2 + 2 H ₂ O ⇌ NH+4 + HCO−3+ ああ⁻

H ₂下士官−2 + H ₂ O ⇌ NH+4 + CO2−3

カルバミン酸カルシウムは水に溶けますが、炭酸カルシウムは溶けません。カルシウム塩をカルバミン酸アンモニウム/炭酸塩溶液に加えると、すぐに炭酸カルシウムが沈殿し、その後カルバミン酸が加水分解されるにつれてゆっくりと沈殿します。^[3]

アンモニウムカルバメート塩は、アンモニアと二酸化炭素の処理によって生成される：^[6]

2 NH ₃ + CO ₂ → NH ₄ [H ₂ NCO ₂ ]

カルバミン酸エステルはカルバモイルクロリドのアルコール分解によっても生成される：^[1]

R ₂ NC(O)Cl + R'OH → R ₂ NCO ₂ R' + HCl

あるいは、クロロホルム酸エステルとアミンからカルバメートが形成されることもある：^[7]

R'OC(O)Cl + R ₂ NH → R ₂ NCO ₂ R' + HCl

カルバメートはクルチウス転位によって生成され、イソシアネートがアルコールと反応する。^[7]

RCON ₃ → RNCO + N ₂

RNCO + R′OH → RNHCO ₂ R′

自然界では二酸化炭素は中性アミン基と結合してカルバメートを形成しますが、この翻訳後修飾はカルバミル化として知られています。この修飾はいくつかの重要なタンパク質で起こることが知られています。以下の例を参照してください。^[8]

脱酸素ヘモグロビンのα鎖とβ鎖のバリン残基のN末端アミノ基はカルバメートとして存在する。これらはタンパク質が脱酸素ヘモグロビンになったときにタンパク質を安定化させ、タンパク質に結合している残りの酸素分子の放出の可能性を高める。この安定化効果はボーア効果（二酸化炭素によって引き起こされる間接的な効果）と混同してはならない。 ^[9]

ウレアーゼとホスホトリエステラーゼのリジン残基のε-アミノ基にもカルバメートが見られます。アミノイミダゾール由来のカルバメートはイノシンの生合成中間体です。カルバモイルリン酸は_CO2ではなくカルボキシリン酸から生成されます。^[10]

おそらく最も一般的なカルバメートは、植物によるCO ₂の捕捉に関与するカルバメートです。このプロセスは植物の成長に必要です。リブロース 1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ(RuBisCO) 酵素は、カルビン回路で二酸化炭素分子をホスホグリセリン酸として固定します。酵素の活性部位では、Mg ²⁺イオンがグルタミン酸およびアスパラギン酸残基、およびリジンカルバメートに結合します。カルバメートは、イオン近くの非荷電リジン側鎖が空気中の二酸化炭素分子 (基質の二酸化炭素分子ではない) と反応して荷電し、Mg ²⁺イオンと結合できるようになることで形成されます。^[11]

通常はそのまま単離されることはありませんが、アンモニウムカルバメート塩は、アンモニアと二酸化炭素から汎用化学物質である尿素を製造する際の中間体として大規模に生産されています。^[1]

ポリウレタンは、その構造の一部として複数のカルバメート基を含んでいます。「ポリウレタン」という名前に含まれる「ウレタン」はこれらのカルバメート基を指し、「ウレタンリンク」という用語はカルバメートがどのように重合するかを説明しています。^{[引用が必要]}対照的に、一般に「ウレタン」と呼ばれる物質であるエチルカルバメートは、ポリウレタンの成分ではなく、ポリウレタンの製造にも使用されていません。^{[引用が必要]ウレタンは通常、}アルコールとイソシアネートの反応によって形成されます。^{[引用が必要]}一般に、イソシアネート以外の経路で製造されたウレタンはカルバメートと呼ばれます。^{[引用が必要]}

ポリウレタンポリマーは幅広い特性を持ち、フォーム、エラストマー、固体として市販されています。通常、ポリウレタンポリマーは、トルエンジイソシアネートなどのジイソシアネートとジオールを組み合わせて作られ、アルコールとイソシアネートの反応によってカルバメート基が形成されます。 [ ^12]

RN=C=O + R′OH → RNHC(O)OR′

いわゆるカルバメート系殺虫剤は、カルバメートエステル官能基を特徴とする。このグループには、アルジカルブ（テミック）、カルボフラン（フラダン）、カルバリル（セビン）、エチエノカルブ、フェノブカルブ、オキサミル、メソミルが含まれる。これらの殺虫剤は、酵素アセチルコリンエステラーゼを可逆的に不活性化することで昆虫を殺します（AChE阻害）^[13]（IRAC作用機序1a）。^[14]有機リン系殺虫剤もこの酵素を不可逆的ではありますが阻害し、より重篤なコリン作動性中毒を引き起こします^[15]（同様のIRAC MoA 1b）。^[14]

フェノキシカルブはカルバメート基を持っていますが、アセチルコリンエステラーゼを不活性化するのではなく、幼若ホルモン模倣物として作用します。^[16]

虫除け剤イカリジンは置換カルバメートである。^[17]

これらは節足動物駆除剤/殺虫剤として一般的に使用されているほか、殺線虫剤としても使用されます。^{[18]そのようなものの1つが}オキサミルです。^[18]

ここ数十年で売上は劇的に減少している。^[18]

エステラーゼの変異のうち、カルバメート耐性はアセチルコリンエステラーゼ（AChE）脱感作に最も多く関与し、有機リン耐性はカルボキシルエステラーゼ代謝に最も多く関与します。^[19]

カルバメート系アセチルコリンエステラーゼ阻害剤は、一般的に哺乳類のアセチルコリンエステラーゼ酵素よりも昆虫のアセチルコリンエステラーゼ酵素に対する選択性が高いことから「カルバメート系殺虫剤」と呼ばれることが多いが、アルジカルブやカルボフランなどの最も強力な化合物は、特に農業用途で大量に使用した場合、低濃度でも哺乳類のアセチルコリンエステラーゼ酵素を阻害する能力があり、ヒトに中毒を起こす重大なリスクがある。他のカルバメート系アセチルコリンエステラーゼ阻害剤はヒトに対してさらに高い毒性を持つことが知られており、T-1123やEA-3990などは神経ガスとして軍事利用の可能性が調査された。しかし、このタイプの化合物はすべて永久正電荷を持つ第四級アンモニウム基を持っているため、血液脳関門の透過性が低く、結晶塩または水溶液としてのみ安定しているため、兵器化に適した特性があるとは考えられなかった。^{[20] [21]}

ヨウ化プロピニルブチルカルバメートは木材や塗料の防腐剤であり、化粧品にも使用されています。^[22]

最も一般的なアミン保護基のいくつか、例えばBoc ^[23]、 Fmoc [ ^24] 、ベンジルクロロホルメート^[25]、トリクロロエチルクロロホルメート^[26]などはカルバメートである。

ウレタン（エチルカルバメート）はかつて米国で化学療法剤やその他の医療目的で商業的に生産されていました。毒性があり、ほとんど効果がなかったことが判明しました。^[27]獣医学では、他の薬剤と組み合わせて麻酔剤として使用されることもあります。^[28]

さらに、一部のカルバメートはヒトの薬物療法にも使用されており、例えば、アセチルコリンエステラーゼ阻害剤の ネオスチグミンやリバスチグミンは、その化学構造が天然アルカロイドの フィゾスチグミンに基づいている。他の例としては、メプロバメートとその誘導体であるカリソプロドール、フェルバメート、メブタメート、フェンプロバメート、チバメートなどがある。これらは、ベンゾジアゼピンが出現する前の1960年代に広く使用されていた抗不安薬および筋弛緩薬の一種で、現在でも場合によっては使用されている。カルバコールは主にさまざまな眼科目的で使用されている。^[29]

HIV治療のためのプロテアーゼ阻害剤 ダルナビルにもカルバメート官能基が含まれています。^[30]

覚醒剤として使用されるアミノレックス類似体であるエフェドロキサンもカルバメート類に分類されます。^[31]

カルバメート系殺虫剤は、ヒトのアセチルコリンエステラーゼを阻害するほかに^[32]（昆虫の酵素ほどではないが）、ヒトのメラトニン受容体も標的とする。^[33]カルバメートによるヒトの健康への影響は、既知の内分泌かく乱物質のリストに詳しく記載されている。^[34]カルバメートへの曝露による臨床的影響は、用量や曝露経路などのさまざまな要因によって、わずかに有毒なものから非常に有毒なものまでさまざまであり、最も急速な臨床的影響をもたらすのは摂取と吸入である。^[34]カルバメート中毒の臨床的症状は、ムスカリン様徴候、ニコチン様徴候、およびまれに中枢神経系徴候である。^[34]

カルバメート（ 1）、ROC(=O)NR2_には2つの酸素原子があり、概念的にはそのうちの一方または両方が硫黄で置き換えられる。酸素の1つだけが硫黄で置き換えられたカルバメートの類似体はチオカルバメート（2および3 ）と呼ばれる。両方の酸素が硫黄で置き換えられたカルバメートはジチオカルバメート（4）、RSC(=S)NR2_と呼ばれる。^[35]

チオカルバメートには、構造的に異なる 2 つのタイプ があります。

• O-チオカルバメート（2）、ROC（=S）NR2 _、ここでカルボニル基（C=O）はチオカルボニル基（C=S）に置き換えられている^[36]
• S-チオカルバメート（3）、RSC（=O）NR2 _、ここでR-O-基はR-S-基に置き換えられている^[36]

O - チオカルバメートは、たとえばNewman-Kwart 転位でS - チオカルバメートに異性化することがあります。^[37]

「ウレタン」と「カルバメート」の語源は非常に似ていますが、同じではありません。「ウレタン」という言葉は、1833年にフランスの化学者ジャン・バティスト・デュマによって初めて造られました。^{[38] [39]}デュマは「ウレタン。液体および濃縮アンモニアと接触した新しいエーテルは、この物質に非常に強い反応を引き起こし、混合物は沸騰し、時には一種の爆発さえも引き起こします。アンモニアが過剰であれば、エーテルはすべて消失します。それはアンモニウム塩酸塩と興味深い特性を備えた新しい物質を形成します。」と述べています。 ^[39]デュマはこの化合物をウレタンと名付けているようです。しかし、後にデュマは「この物質の性質に関する意見が固まるまで、私が研究したばかりの2つの物質をウレタンとオキサメタンという名前で呼ぶことを提案する。この2つの物質は窒素含有物質の中の新しいファミリーのタイプであると私は考えている。私の目には、これらの名前はアルコールとエーテルの問題において何ら先入観を与えるものではないが、少なくとも私たちの理論をまだ受け入れようとしない化学者を満足させるという利点があるだろう」と述べている。^[39]ウレタンという単語は「尿素」と「エーテル」という言葉に由来し、接尾辞「-ane」は一般的な化学接尾辞であり、R2NC(=O)OR' (R' not = H)結合構造に特有のものである。^[40]

「カルバメート」という語の使用は、ヘンリー・メドロックによるデュマの研究に関する記述の中で、少なくとも 1849 年に遡る後になってから始まったようです。^[41]メドロックは、「アンモニアがエチルのクロロ炭酸塩 (ホスゲン) に作用すると、発見者であるデュマがウレタンと呼んだ物質が生成され、現在では私たちはこれをカルバミン酸のエーテルとみなす習慣があることはよく知られています。」と述べています。 ^[41]これは、デュマが作ったウレタン ファミリーの命名規則をそのまま使用する代わりに、命名規則をカルバミン酸のエチル エーテルに変更したことを示しています。カルバメートは、「カルバミド」または尿素として知られる単語と、酸の塩またはエステルを示す接尾辞「-ate」から派生したものです。^{[42] [43]}

どちらの単語も、尿素に由来する語源を持っています。カルバメートは、-ate 接尾辞がカルバミン酸の塩またはエステルのどちらであるかが曖昧であるため、あまり具体的ではありません。ただし、-ate 接尾辞は、カルバメートがカルバメートの酸、つまりカルバミン酸から派生したものであることを示唆するため、より具体的でもあります。ウレタンはカルバミン酸エステル部分と同じ化学構造を持ちますが、カルバミン酸から派生していないウレタンはカルバミン酸エステルではありません。言い換えると、カルバミン酸から派生していない R2NC(=O)OR' (R' not = H) 部分の合成は、カルバミン酸エステルではなくウレタンです。さらに、カルバミン酸エステルはウレタンですが、すべてのウレタンがカルバミン酸エステルというわけではありません。これはさらに、ポリウレタンは一般にカルバミン酸を使用して合成されないため、ポリウレタンは単なるポリカルバミン酸エステルではないことを示唆しています。

IUPACは「エステルはウレタンまたはウレタンと呼ばれることが多いが、この用法は厳密にはエチルエステルにのみ当てはまる」と述べている。^[44]しかし、「化合物R2NC(=O)OR' (R' not = H)、カルバミン酸エステルR,NC(=O)OHの別名は、厳密にはエチルエステルに限定して使用されているが、一般的な意味で広く使用されている」とも述べている。^[45] IUPACはこれらの記述を引用なしで提供している。

• メチルカルバメート
• エチルカルバメート
• ポリウレタン
• コリンエステラーゼ阻害剤