アミド

有機化学において、アミド^[1]^[2]^[3]は、有機アミドまたはカルボキサミドとも呼ばれ、一般式R−C(=O)−NR′R″で示される化合物であり、R、R′、およびR″は任意の基、通常は有機基または水素原子を表す。^[4]^[5]アミド基は、タンパク質の主鎖の一部である場合はペプチド結合と呼ばれ、アスパラギンやグルタミンのように側鎖に存在する場合はイソペプチド結合と呼ばれる。これは、カルボン酸( R−C(=O)−OH )のヒドロキシル基 ( −OH )がアミン基 ( −NR′R″ )に置き換えられた誘導体、または同等に、アシル ( アルカノイル ) 基( R−C(=O)− ) がアミン基に結合したものと見なすことができる。

一般的なアミドとしては、ホルムアミド( H−C(=O)−NH ₂ )、アセトアミド( H ₃ C−C(=O)−NH ₂ )、ベンズアミド( C ₆ H ₅ −C(=O)−NH ₂ )、ジメチルホルムアミド( H−C(=O)−N(−CH ₃ ) ₂ ) などがあります。アミドの珍しい例としては、N -クロロアセトアミド ( H ₃ C−C(=O)−NH−Cl ) やクロロホルムアミド ( Cl−C(=O)−NH ₂ ) などがあります。

アミドは窒素原子に結合したカルボニル基（ −CO）の数によって第一級、第二級、第三級に分類される。 ^[5]

命名法

アミドの核である−C(=O)−(N)はアミド基（具体的にはカルボキサミド基）と呼ばれます。

通常の命名法では、親酸の名前の語幹に「アミド」という用語を追加します。たとえば、酢酸から誘導されるアミドはアセトアミド(CH ₃ CONH ₂ )と名付けられます。IUPAC はエタナミドを推奨していますが、これや関連する正式名称はほとんど見かけません。アミドが第一級または第二級アミンから誘導される場合、窒素上の置換基が名前の最初に示されます。したがって、ジメチルアミンと酢酸から形成されるアミドはN , N -ジメチルアセトアミド (CH ₃ CONMe ₂、Me = CH ₃ )です。通常、この名前もジメチルアセトアミドに簡略化されます。環状アミドはラクタムと呼ばれ、必然的に第二級または第三級アミドです。^[5]^[6]

アプリケーション

アミドは自然界やテクノロジーのあらゆるところに存在します。タンパク質やナイロン、アラミド、トワロン、ケブラーなどの重要なプラスチックは、単位がアミド基（ポリアミド）で結合したポリマーです。これらの結合は容易に形成され、構造的な剛性を与え、加水分解に耐えます。アミドには、パラセタモール、ペニシリン、LSDなどの多くの薬物だけでなく、他の多くの重要な生物学的化合物も含まれます。^[7]ジメチルホルムアミドなどの低分子量アミドは一般的な溶媒です。

構造と結合

窒素原子上の孤立電子対はカルボニル基に非局在化され、窒素と炭素の間に部分的な二重結合を形成します。実際、O、C、N原子は非局在化した電子が占める分子軌道を持ち、共役系を形成します。その結果、アミド中の窒素の3つの結合はピラミッド型（アミンの場合のように）ではなく平面状になります。この平面制約により、N結合の周りの回転が妨げられ、そのため、このような分子のバルク材料の機械的特性、およびこのような結合によって構築される高分子の配置特性に重要な影響を及ぼします。回転できないという点で、アミド基は回転が可能でより柔軟なバルク材料を作り出すエステル基と区別されます。

アミドのCC(O)NR ₂コアは平面です。C=O 距離は CN 距離よりも約 10% 短くなっています。アミドの構造は、中性 (A) と両性イオン性(B)の 2 つの代替構造間の共鳴として説明することもできます。

アセトアミドの場合、構造Aは構造の62%を占め、構造Bは28%を占めると推定されています（上記に示されていない、重要性の低い共鳴形態も存在するため、これらの数字を合計しても100%にはなりません）。また、活性基の水素原子と窒素原子の間には水素結合が存在します。^{[9]非常に歪んだ}キヌクリドンでは共鳴はほとんど起こりません。

IR スペクトルでは、アミドは1650 cm ^{-1付近に中程度の強度の}ν _COバンドを示します。このバンドのエネルギーは、エステルやケトンのν _COよりも約 60 cm _-1低くなります。この違いは、両性イオン共鳴構造の寄与を反映しています。

塩基性

アミンと比較すると、アミドは非常に弱い塩基です。アミンの共役酸のp Ka _は約 9.5ですが、アミドの共役酸の p Kaは_{約-0.5 です。したがって、アミンと比較すると、アミドは}水中で顕著な酸塩基特性を持ちません。この塩基性の相対的な欠如は、カルボニルがアミンから電子を引き抜くことで説明されます。一方、アミドは、カルボン酸、エステル、アルデヒド、ケトンよりもはるかに強い塩基です(共役酸の p Ka_は-6 から -10 の間です)。

第一級または第二級アミドのプロトンは容易に解離しません。その p K _{a は}通常 15 をはるかに超えます。逆に、非常に酸性の強い条件下では、カルボニル酸素はおよそ -1 の p K _aでプロトン化される可能性があります。これは、窒素の正電荷だけでなく、共鳴によって酸素に負電荷が加わるためでもあります。

水素結合と溶解度

酸素の電気陰性度は窒素よりも大きいため、カルボニル (C=O) は N–C 双極子よりも強い双極子です。C=O 双極子と、それほどではないが N–C 双極子の存在により、アミドは水素結合のアクセプターとして機能します。第一級および第二級アミドでは、N–H 双極子の存在により、アミドは水素結合のドナーとしても機能します。したがって、アミドは水やその他のプロトン性溶媒との水素結合に参加できます。つまり、酸素原子は水から水素結合を受容し、N–H 水素原子は水素結合を供与できます。このような相互作用の結果として、アミドの水溶性は、対応する炭化水素の水溶性よりも高くなります。これらの水素結合は、タンパク質の二次構造においても重要な役割を果たします。

アミドとエステルの溶解度はほぼ同程度です。通常、アミドは同等のアミンやカルボン酸よりも溶解度が低くなります。これは、これらの化合物が水素結合を供与および受容できるためです。N , N -ジメチルホルムアミドという重要な例外を除き、三級アミドは水への溶解度が低いです。

反応

アミドは求核置換反応に容易に関与しません。アミドは水に対して安定しており、加水分解に対してはエステルよりも約 100 倍安定しています。^{[引用が必要]}ただし、アミドは酸または塩基の存在下ではカルボン酸に加水分解されます。タンパク質を構成するアミノ酸はアミド結合で結合しているため、アミド結合の安定性は生物学的な意味合いを持ちます。アミド結合は加水分解に対して十分に耐性があり、水性環境でタンパク質構造を維持しますが、触媒加水分解の影響を受けやすいです。^[^{引用が必要}^]

第一級および第二級アミドは炭素求核剤と有効に反応しない。代わりに、グリニャール試薬および有機リチウムがアミドNH結合を脱プロトン化する。第三級アミドはこの問題を経験せず、炭素求核剤と反応してケトンを与える。アミドアニオン（NR ₂⁻）は非常に強い塩基であり、したがって非常に貧弱な脱離基であるため、求核攻撃は一度しか起こらない。炭素求核剤と反応する場合、N , N -ジメチルホルムアミド（DMF）を使用してホルミル基を導入することができる。^[10]

ここで、フェニルリチウム 1 はDMF 2のカルボニル基を攻撃し、四面体中間体3 を生成します。ジメチルアミドアニオンは脱離基として貧弱なため、中間体は崩壊せず、別の求核付加は起こりません。酸性処理により、アルコキシドはプロトン化されて4になり、次にアミンがプロトン化されて5になります。ジメチルアミンの中性分子が除去され、プロトンが失われると、ベンズアルデヒド6 が生成されます。

加水分解

アミドは、強酸性条件だけでなく高温アルカリ条件でも加水分解されます。酸性条件ではカルボン酸とアンモニウムイオンが生成され、塩基性加水分解ではカルボン酸イオンとアンモニアが生成されます。酸性条件下では最初に生成されたアミンがプロトン化され、塩基性条件下では最初に生成されたカルボン酸が脱プロトン化されるため、これらのプロセスは非触媒的かつ不可逆的になります。プロトン以外の求電子剤はカルボニル酸素と反応します。このステップは、ブレンステッド酸とルイス酸の両方によって触媒される加水分解に先行することがよくあります。ペプチダーゼ酵素と一部の合成触媒は、カルボニル酸素に求電子剤を結合させることによって作用することがよくあります。

合成

カルボン酸および関連化合物から

アミドは通常、カルボン酸とアミンを結合させることによって製造されます。直接反応では、通常、水を除去するために高温が必要です。

RCO ₂ H + R' ₂ NH → RCO − 2 + R' ₂ NH + 2

RCO − 2 + R' ₂ NH ₂ → RC(O)NR' ₂ + H ₂ O

エステルはカルボン酸に比べてはるかに優れた基質である。^[13]^[14]^[15]

さらに「活性化」された酸塩化物（ショッテン・バウマン反応）と無水物（リュミエール・バルビエ法）はアミンと反応してアミドを生成します。

RCO ₂ R" + R' ₂ NH → RC(O)NR' ₂ + R"OH

RCOCl + 2R' ₂ NH → RC(O)NR' ₂ + R' ₂ NH + 2 Cl ⁻

(RCO) ₂ O + R' ₂ NH → RC(O)NR' ₂ + RCO ₂ H

ペプチド合成ではHATU、HOBt、PyBOPなどのカップリング剤が使用される。^[16]

ニトリルから

ニトリルの加水分解は脂肪族アミドを製造するために工業規模で行われている。^[17] 実験室での手順も利用可能である。^[18]

専門ルート

多くの特殊な方法によってもアミドが得られる。^[19]トリス（2,2,2-トリフルオロエチル）ボレートなどの様々な試薬が特殊な用途のために開発されている。^[20]^[21]

参照

参考文献

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外部リンク

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