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、增塑剂、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高聚物。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,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,参与碳水化合物、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原子上的氢原子被
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—NH2基上的一个氢被R基团取代,为N-取代酰胺;—NH2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,因此碳氧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,将氮原子上的取代基放在“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(CH3)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
氨基中氮原子上有一对孤电子,易与氢质子结合而显示碱性。但在酰胺分子中,氨基与
羰基的碳原子相连,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P2O5 、SOCl2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,生成少一个碳原子的
伯胺:
与亚硝酸反应
与伯胺相同,具有伯
氨基的酰胺(氮原子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
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-羟基苯基)
乙酰胺,临床上广泛用于感冒、发烧、头痛、关节痛、神经痛及痛经等症的治疗; 此外,青霉素G,是青霉素类抗生素中的一种常用药物,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;也可用作增塑剂、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,也可用来制备尿素甲醛树脂。
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、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(CH3)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
乙烯树脂和
丙烯腈拉丝的溶剂,在气液色谱中用作固定相。