Bejelentkezés

A 2024-től alkalmazott kémiaérettségi-követelmények alapján

3.5 — Nitrogéntartalmú szerves vegyületek

Aminok, aminosavak, amidok, gyógyszerek és pszichoaktív anyagok középszintű szerkezeti és sav–bázis összefüggései.

Emelt szint

Haladás mentése · Bejelentkezés

Felidéző gyakorlás

Miért gyengébb bázis a pirrol a piridinnél?

Válassz, indokold magadban, majd csak ezután fedd fel a magyarázatot.

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ

A nitrogén kapcsolódása dönti el a viselkedést

Amin, aminosav, amid vagy heterociklus: a nitrogén környezetét vizsgáljuk meg. Melyik atomhoz kapcsolódik? Részt vesz-e az elektronpárja egy delokalizált rendszerben? Van-e protonleadó csoport is a molekulában?

A középszintű szerkezetfelismerésre az emelt részben egyenletek, elektronpár-modellek, halmazszerkezeti magyarázatok és anyagmérlegek épülnek. Minden fontos összefüggést konkrét képlettel és példával kapcsolunk össze.

Amit biztosan tudnod kell

  • Aminok az ammónia szerves származékai. A nitrogén nemkötő elektronpárja miatt bázisok és nukleofilek; savakkal vízoldhatóbb ammóniumsókat képeznek.
  • Az amin rendűsége a nitrogénhez kapcsolódó szénhidrogéncsoportok számát jelenti, nem a nitrogénhez kapcsolódó szénatom rendűségét.
  • Az amidcsoport –CONH2 vagy helyettesített változata. A nitrogén elektronpárja a karbonilcsoporttal delokalizálódik, ezért az amid jóval gyengébb bázis az aminnál.
  • Az aminosavak amin- és karboxilcsoportot tartalmaznak. Szilárdan és semleges közeli oldatban ikerionos formájuk fontos; savban kationos, lúgban anionos alak kerül túlsúlyba.
  • Két aminosav kondenzációjával peptidkötés és víz képződik. A peptidkötés amidkötés; hidrolízissel savas, lúgos vagy enzimes közegben bontható.
  • A nitrogéntartalmú szerves vegyületek élettani hatása szerkezet- és dózisfüggő. Az aminok kellemetlen szaga vagy természetes eredete nem alkalmas biztonsági minősítésre.
  • Az aminok báziserősségét induktív hatás, szolvatáció és delokalizáció együtt befolyásolja. Az anilin gyengébb bázis az alifás aminoknál, mert elektronpárja a benzolgyűrűvel delokalizálódik.
  • Az amid sík szerkezete és korlátozott C–N rotációja a rezonanciával magyarázható. Hidrogénkötéseik magasabb olvadás- és forráspontot adhatnak.
  • Az aminosav izoelektromos pontján az átlagos nettó töltés nulla. Elektroforézisben a pH dönti el a vándorlás irányát.

Kulcsfogalmak

  • aminocsoport
  • amin
  • aminosav
  • ikerion
  • amidcsoport
  • gyógyszer és drog
  • aminrendűség
  • ammóniumion
  • amidrezonancia
  • piridin
  • pirrol

Aminok: szerves bázisok

Az aminok az ammónia olyan szerves származékai, amelyekben egy vagy több H helyén szénhidrogéncsoport áll. A N nemkötő elektronpárja protont vehet fel, ezért a kis aminok vízben bázikusak és savakkal ammóniumszerű sókat képeznek. A metil-amin CH3NH2, a dimetil-amin (CH3)2NH; a névben a széncsoportok számát pontosan jelezni kell.

Egy–három szénatomos aminok: olvasd a kapcsolódást

KépletNévMit kapcsolunk a nitrogénhez?
CH3NH2metil-aminEgy metilcsoport
CH3CH2NH2etil-aminEgy etilcsoport
(CH3)2NHdimetil-aminKét metilcsoport
CH3CH2CH2NH2propil-amin; propán-1-aminEgy propilcsoport
CH3CH(NH2)CH3izopropil-amin; propán-2-aminEgy izopropilcsoport
CH3NHCH2CH3etil-metil-amin; N-metil-etánaminEgy etil- és egy metilcsoport
(CH3)3Ntrimetil-aminHárom metilcsoport

Metil-ammónium-klorid képződése

CH3NH2 + HCl → CH3NH3+ + Cl-

A nitrogén nemkötő elektronpárja protont köt meg, új N–H kötés jön létre. A szilárd só képlete CH3NH3Cl, vizes oldatában a megfelelő ionok vannak; az amin nem klórszubsztitúcióval alakul át.

Az amin rendűségét a nitrogén helyettesítettsége adja

Az amin rendűségét a nitrogén helyettesítettsége adjaAz amin rendűségénél a nitrogénhez közvetlenül kapcsolódó széncsoportokat számoljuk: egy esetén primer, kettő esetén szekunder, három esetén tercier aminról beszélünk. Az értékűség ettől eltérő kérdés: hány aminocsoport van a molekulában? A metil-, dimetil- és trimetil-amin egyértékű. A hexán-1,6-diaminban két aminocsoport van, mindkét nitrogén primer. Egy tercier szénatomhoz kapcsolódó NH_{2}-csoport is primer amin lehet: az alkoholok rendűségénél használt szénatomot itt nem számoljuk helyette.A nitrogén széncsoportjait számoldMetil-aminCH3–NH21 széncsoport → primerDimetil-aminCH3–NH–CH32 széncsoport → szekunderTrimetil-amin(CH3)3N3 széncsoport → tercierMindegyikben egy amin-nitrogén van.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
PrimerR–NH2; egy széncsoport a N-hez
SzekunderR–NH–R′; két széncsoport a N-hez
TercierR–N(R′)–R″; három széncsoport a N-hez
Az amin rendűségénél a nitrogénhez közvetlenül kapcsolódó széncsoportokat számoljuk: egy esetén primer, kettő esetén szekunder, három esetén tercier aminról beszélünk. Az értékűség ettől eltérő kérdés: hány aminocsoport van a molekulában? A metil-, dimetil- és trimetil-amin egyértékű. A hexán-1,6-diaminban két aminocsoport van, mindkét nitrogén primer. Egy tercier szénatomhoz kapcsolódó NH2-csoport is primer amin lehet: az alkoholok rendűségénél használt szénatomot itt nem számoljuk helyette.
Emelt szintű kiegészítés

Értékűség, rendűség és általános képlet

Az értékűség az aminocsoportok számát jelenti. A hexán-1,6-diamin, H2N–(CH2)6–NH2, kétértékű amin; mindkét nitrogén egy szénatomhoz kapcsolódik, tehát mindkét aminocsoport primer. A rendűség és az értékűség nem helyettesíti egymást.

A telített, nyílt láncú, egyértékű alkil-aminok molekulaképlete CnH2n+3N. Primer alakjuk CnH2n+1NH2-ként is írható, de ebből nem következik, hogy minden aminban NH2 van. Például a C3H9N négy aminizomert írhat le: propán-1-amint, propán-2-amint, etil-metil-amint és trimetil-amint. Aromás vagy gyűrűs aminokra nem alkalmazzuk ezt a nyílt láncú képletet.

A tercier amin vízzel hidrogénkötést fogadhat

A tercier amin vízzel hidrogénkötést fogadhatA trimetil-aminban nincs N–H kötés, ezért saját molekulái nem szolgáltatnak N–H hidrogénkötés-donort. A nitrogén nemkötő elektronpárja azonban fogadhat hidrogénkötést a víz O–H csoportjától. Az N és a víz hidrogénje közötti szaggatott vonal hidrogénkötés, nem új kovalens N–H kötés. A külön sav–bázis reakcióban valódi protonátadás is lehetséges: (CH_{3})_{3}N + H_{2}O ⇌ (CH_{3})_{3}NH^{+} + OH^{-}. Nem következik a saját N–H hiányából apoláris jelleg vagy vízben oldhatatlanság.Nincs N–H, de van akceptor(CH3)3NHOHVíz: donor; amin: akceptor.Két tercier amin között nincsszokásos N–H···N hidrogénkötés.Vízzel hidrogénkötés kialakulhat.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Primer és szekunder aminN–H donor és N-elektronpár akceptor is lehet
Tercier aminNincs saját N–H donor; az elektronpár akceptor
ProtonátadásÚj N–H kovalens kötés és ammóniumion képződik; ez más folyamat
A trimetil-aminban nincs N–H kötés, ezért saját molekulái nem szolgáltatnak N–H hidrogénkötés-donort. A nitrogén nemkötő elektronpárja azonban fogadhat hidrogénkötést a víz O–H csoportjától. Az N és a víz hidrogénje közötti szaggatott vonal hidrogénkötés, nem új kovalens N–H kötés. A külön sav–bázis reakcióban valódi protonátadás is lehetséges: (CH3)3N + H2O ⇌ (CH3)3NH+ + OH-. Nem következik a saját N–H hiányából apoláris jelleg vagy vízben oldhatatlanság.
Emelt szintű kiegészítés

Azonos molekulaképlet mellett is eltérhet a forráspont

C3H9N izomerRendűségForráspont, közel 1 atm
Propán-1-aminPrimerKörülbelül 48 °C
Etil-metil-aminSzekunderKörülbelül 37 °C
Trimetil-aminTercierKörülbelül 3 °C
Emelt szintű kiegészítés

A forráspontot több kölcsönhatás alakítja

A primer és szekunder aminok között N–H···N hidrogénkötés is létrejöhet; a tercier aminok között ez a saját N–H hiánya miatt nem. Az N–H hidrogénkötés rendszerint gyengébb, mint a hasonló szerkezetű alkohol O–H kölcsönhatása. A lánchossz, elágazás és felület is számít, ezért a primer > szekunder > tercier sorrend nem minden tetszőleges aminra érvényes törvény. Hasonló moláris tömegű alkánhoz képest az amin polaritása, illetve hidrogénkötése emelheti a forráspontot.

25 °C-on, közel légköri nyomáson a metil-, etil-, dimetil- és trimetil-amin gáz; a propán-1-amin folyadék. A kis aminok vízben jól oldódhatnak, a hosszabb apoláris szénlánc rontja az oldhatóságot. A tercier amin is lehet poláris és vízoldható. Az anilin színtelen, állás közben elszíneződő folyadék; benzolgyűrűje miatt vízoldhatósága korlátozott.

A protonált amin visszaadhatja a protont

CH3NH3+ + H2O ⇌ CH3NH2 + H3O+

Az amin bázis, protonált alakja a konjugált sava. A metil-ammónium-klorid oldata savas lehet; a Cl- nézőion. Lúggal az amin visszanyerhető: CH3NH3+ + OH- → CH3NH2 + H2O.

Kidolgozott példa: Aminból ammóniumsó

Feladat: 1,55 g tiszta metil-amint sósavval teljesen protonálunk.
Mennyi HCl szükséges?
M(metil-amin) = 31,0 gmol;
a sósav koncentrációja 0,100 moldm3.

A metil-amin és HCl anyagmennyiség-aránya 1 : 1.
n(amin) = 1,5531,0 = 0,0500 mol.

Ugyanennyi HCl kell: V = nc = 0,05000,100 = 0,500 dm3.

A protonált nitrogén pozitív töltése nem teszi a teljes sót pozitívvá: minden metil-ammónium-ionhoz egy kloridion tartozik.
A reakció sav–bázis folyamat, nem nitrogén-oxidáció.

Aminosavak és amidok

Az α-aminosavakban –NH2 és –COOH ugyanahhoz az α-szénatomhoz kapcsolódik. Szilárdan és megfelelő pH-n ikerionos formájuk jelentős: egyszerre van pozitív ammónium- és negatív karboxilátrész, ezért ionos jellegű kristályt, magas olvadáspontot és amfoter viselkedést mutatnak. Két aminosav peptidkötés (amidcsoport) képződésével, vízkilépéssel kapcsolódhat.

Az amidok nem egyszerű aminok: a nitrogén karbonilcsoporthoz kapcsolódik, elektronpárja delokalizálódik, ezért bázikussága eltér. A karbamid fontos nitrogénvegyület és műtrágya-alapanyag.

Az ikerion semleges össztöltésű, mégis töltött csoportokat hordoz

Az ikerion nem egy pozitív és egy negatív ion keveréke: ugyanazon részecskén van az NH3+ és COO- csoport. Szilárd glicinben a szomszédos részecskék töltött csoportjai között erős elektrosztatikus vonzás és hidrogénkötések is működnek. Ez magyarázza a kis moláris tömeg ellenére nagy hőmérsékletet igénylő olvadást, amely bomlással is együtt járhat.

Az ikerionos forma túlsúlya az oldat pH-jától is függ. A víz a töltött és poláris csoportokat hidratálja, ezért a glicin jól oldódik. Nem állítjuk, hogy minden aminosav minden pH-n kizárólag ikerionként van jelen, vagy hogy valamennyi ugyanolyan jól oldódik.

Az oldallánc befolyásolja a tulajdonságokat

Oldallánc jellegePéldaMit figyelj meg?
ApolárisAlanin: R = CH3Szénhidrogénrész; nincs új ionizálható csoport
Poláris, szokásos pH-n nem ionosSzerin: R = CH2OHHidrogénkötésre képes alkoholos OH
SavasAszparaginsav: R = CH2COOHTovábbi karboxilcsoport; protonleadás
BázisosLizin: R = (CH2)4NH2További aminocsoport; protonfelvétel
Különleges bázikus helyHisztidin: imidazolgyűrűs oldalláncProtonátadás enzimek működésében

A glicin protonáltsága és elektroforézises viselkedése

A glicin protonáltsága és elektroforézises viselkedéseFelül a glicin karboxilcsoportja is protonált, a részecske +1 töltésű. A középső ikerion egy pozitív ammónium- és egy negatív karboxilátcsoportot tartalmaz, teljes töltése nulla. Lúgos közegben az ammóniumcsoport protont ad le, így −1 töltésű glicinátion keletkezik. Az ábra a túlsúlyba kerülő alakokat mutatja; a folyamat egyensúlyi, nem kizárólag egyetlen részecske van az oldatban. A pI az izoelektromos pont: a molekulák átlagos nettó töltése nulla, ezért egyenletes elektromos térben nincs nettó elektroforézises vándorlásuk. pI alatt pozitív átlagtöltés, pI felett negatív átlagtöltés jellemző. A pI nem szükségképpen pH = 7.A glicin alakja a pH-tól függErősen savas közegH3N+–CH2–COOHÖssztöltés: +1Ikerion túlsúlyaH3N+–CH2–COO-Össztöltés: 0Erősen lúgos közegH2N–CH2–COO-Össztöltés: −1pH < pI: a negatív elektród felé.pH > pI: a pozitív elektród felé.pH = pI: átlagos nettó töltés 0.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
SavasításH3N+CH2COO- + H3O+ ⇌ H3N+CH2COOH + H2O
LúgosításH3N+CH2COO- + OH- ⇌ H2NCH2COO- + H2O
IkerionKét töltött csoport egyetlen részecskében; nem külön kation és anion
Felül a glicin karboxilcsoportja is protonált, a részecske +1 töltésű. A középső ikerion egy pozitív ammónium- és egy negatív karboxilátcsoportot tartalmaz, teljes töltése nulla. Lúgos közegben az ammóniumcsoport protont ad le, így −1 töltésű glicinátion keletkezik. Az ábra a túlsúlyba kerülő alakokat mutatja; a folyamat egyensúlyi, nem kizárólag egyetlen részecske van az oldatban. A pI az izoelektromos pont: a molekulák átlagos nettó töltése nulla, ezért egyenletes elektromos térben nincs nettó elektroforézises vándorlásuk. pI alatt pozitív átlagtöltés, pI felett negatív átlagtöltés jellemző. A pI nem szükségképpen pH = 7.

A glicin ikerionjának reakciója sósavval

H3N+CH2COO- + HCl ⇌ H3N+CH2COOH + Cl-

A karboxilátcsoport vesz fel protont; a glicin részecskéje +1 töltésű lesz. A savas közeg nem az NH3+-ból hoz létre NH2-t.

A glicin ikerionjának reakciója lúggal

H3N+CH2COO- + OH- ⇌ H2NCH2COO- + H2O

Az ammóniumcsoport ad le protont, a hidroxidion vízzé alakul; az aminosavrészek teljes töltése −1. Nátriumionnal a glicin nátriumsója képződik.

Három fontos savamid

NévSzerkezetTulajdonság és szerep
Formamid; metánamidH–C(=O)–NH2Szobahőmérsékleten folyadék; vízzel jól elegyedik
Acetamid; etánamidCH3–C(=O)–NH2Kristályos szilárd anyag; vízben jól oldódik
KarbamidH2N–C(=O)–NH2Fehér kristályos anyag; vízoldható; műtrágya és az emlősök nitrogénkiválasztásának fontos terméke

Az amid polaritását nem csak az N–H kötések adják

A karbonilcsoport és az amid delokalizált elektroneloszlása erősen poláris csoportot hoz létre. NH-t hordozó amidok N–H donor és karbonil-O akceptor révén egymáshoz hidrogénkötéssel kapcsolódhatnak. A nitrogén nem szokásos hidrogénkötés-akceptor, mert párja delokalizálódik. Ez a savamidok magas olvadáspontjának és vízzel kialakuló kölcsönhatásainak fontos oka.

N-helyettesített amidból az N–H hiánya nem tünteti el a karbonilcsoport polaritását. Például az N,N-dimetil-formamid erősen poláris, vízzel elegyedő folyadék, de saját N–H donorja nincs. Az amid és a hasonló moláris tömegű karbonsav olvadáspontjának összevetésekor a kristálybeli illeszkedést is figyelembe vesszük; nem csak a hidrogénkötések darabszámát számoljuk.

Az N–H kötés kisebb polaritása miatt a nitrogénhez kötött hidrogén általában gyengébb hidrogénkötés-donor, mint a karbonsav O–H hidrogénje. Az amidban azonban a poláris karbonilcsoport és az összefüggő kristálybeli kölcsönhatások együtt alakítják az olvadáspontot; azt egyetlen hidrogénkötés erősségéből nem vezetjük le.

Az acetamid határszerkezetei magyarázzák az amidcsoport sík alakját

Az acetamid határszerkezetei magyarázzák az amidcsoport sík alakjátA nitrogén nemkötő elektronpárja a karbonilcsoport π-elektronrendszerével delokalizálódik. A második határszerkezetben a nitrogén négy kötést és formális pozitív töltést, az oxigén egyszeres kötést és negatív töltést hordoz. A tényleges molekulában a C–N kötés részleges kettőskötés-jellege korlátozza a forgást, és az amidcsoport közel sík. Nem az egész, tetszőlegesen nagy amidmolekulának kell síkban lennie. Az amid N-elektronpárja nem úgy áll rendelkezésre protonkötésre, mint egy egyszerű aminban; erősen savas közegben az oxigén protonálása kedvezőbb lehet.Az amid elektronrendszere közösCH3CNH2O1. határszerkezetCH3CNH2+O-2. határszerkezet↔C–N: részleges kettőskötés-jelleg.Az amidcsoport közel sík.A C–N körüli forgás korlátozott.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
HatárszerkezetekEgy molekula két leírása; nem két külön anyag
C–N kötésRészleges kettőskötés-jelleg; korlátozott forgás
BázisosságAz amid nitrogénje jóval kevésbé bázisos az amin nitrogénjénél
A nitrogén nemkötő elektronpárja a karbonilcsoport π-elektronrendszerével delokalizálódik. A második határszerkezetben a nitrogén négy kötést és formális pozitív töltést, az oxigén egyszeres kötést és negatív töltést hordoz. A tényleges molekulában a C–N kötés részleges kettőskötés-jellege korlátozza a forgást, és az amidcsoport közel sík. Nem az egész, tetszőlegesen nagy amidmolekulának kell síkban lennie. Az amid N-elektronpárja nem úgy áll rendelkezésre protonkötésre, mint egy egyszerű aminban; erősen savas közegben az oxigén protonálása kedvezőbb lehet.

Az acetamid savas és lúgos hidrolízisének végtermékei

Az acetamid savas és lúgos hidrolízisének végtermékeiSavas hidrolízisben az acetamid vízzel és savval ecetsavat és ammóniumiont ad. Az összegzett egyenletben a sav protonja az ammóniumionban marad, ezért itt nem pusztán el nem fogyó katalizátorként szerepel. Lúgos közegben hidroxidion fogy, acetátion és ammónia keletkezik. N-helyettesített amidnál az ammónia helyén a megfelelő amin vagy protonált amin áll. A két út mindegyikében az amid C–N kapcsolatát bontjuk, nem a molekula valamennyi C–C kötését.Az amid hidrolízise eltérő termékeket adSavas közegCH3CONH2+ H2O + H+; melegítésCH3COOH + NH4+Lúgos közegCH3CONH2+ OH-; melegítésCH3COO- + NH3Észterből alkohol; ebből ammóniavagy protonált ammónia keletkezik.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
SavasCH3CONH2 + H2O + H+ → CH3COOH + NH4+
LúgosCH3CONH2 + OH- → CH3COO- + NH3
N-metil-acetamid savas hidrolíziseCH3CONHCH3 + H2O + H+ → CH3COOH + CH3NH3+
Savas hidrolízisben az acetamid vízzel és savval ecetsavat és ammóniumiont ad. Az összegzett egyenletben a sav protonja az ammóniumionban marad, ezért itt nem pusztán el nem fogyó katalizátorként szerepel. Lúgos közegben hidroxidion fogy, acetátion és ammónia keletkezik. N-helyettesített amidnál az ammónia helyén a megfelelő amin vagy protonált amin áll. A két út mindegyikében az amid C–N kapcsolatát bontjuk, nem a molekula valamennyi C–C kötését.

Ecetsav és metil-amin: először sóképzés

CH3COOH + CH3NH2 ⇌ CH3COO- + CH3NH3+

Vizes közegben elsősorban protonátadás történik. A sav és amin egyszerű összekeverését nem írjuk le feltétlenül vízkilépéses amidképzésként; ehhez megfelelő reakciófeltételek vagy aktivált savszármazék szükséges.

Észter és amin reakciójának anyagmérlege

CH3COOC2H5 + CH3NH2 → CH3CONHCH3 + C2H5OH

Megfelelő körülmények között az etil-acetátból N-metil-acetamid és etanol képződik. Az amidban az N közvetlenül a karbonil-szénhez kapcsolódik. A rendezett összegzett egyenlet nem jelenti a reakció feltétel nélküli, pillanatszerű lejátszódását.

Két glicinből egy dipeptid: a kondenzáció mérlege

2 H2NCH2COOH → H2NCH2CONHCH2COOH + H2O

A –C(=O)–NH– kapcsolat peptidkötés. Ez a szerkezeti anyagmérleg megfelelő peptidképzési körülményekre vonatkozik; két aminosav vizes oldatának puszta összekeverése nem állít elő teljesen dipeptidet. Az élő sejtek aktivált köztes termékekkel és energiafelhasználással építenek peptidláncot.

Hatóanyag, dózis és bizonyíték

A gyógyszer hatóanyaga meghatározott dózisban kívánt biológiai hatást céloz, mellékhatása és kölcsönhatása is lehet. A „drog” szó jelenthet gyógyszertani alapanyagot vagy pszichoaktív, visszaélésre alkalmas szert; a szövegkörnyezetet tisztázni kell. A hatásosságot és biztonságot ellenőrzött vizsgálatokkal értékeljük; sem a természetes eredet, sem a reklám nem bizonyítja ezeket.

A nikotin, koffein és több alkaloid nitrogéntartalmú, élettanilag aktív molekula. A függőség biológiai és társadalmi probléma; kémiai szerkezetből nem következik egyszerűen a teljes kockázat.

Emelt szintű kiegészítés

A nitrogéntartalmú szerkezetek jelentősége

Anilinszármazékokat festékek és gyógyszerek előállításához, hexán-1,6-diamint poliamidok gyártásához használnak. A karbamid műtrágyaként és a nitrogén-anyagcsere termékeként fontos. Az aminocsoport nem azonos a fehérjében lévő peptidkötéssel: a nitrogéntartalom önmagában nem mondja meg a vegyület csoportját.

Kabay János a morfin mákszalmából és száraz mákgubóból való ipari kinyerésének kidolgozásával járult hozzá a magyar gyógyszergyártáshoz. A morfin fájdalomcsillapító hatóanyag; a nikotin függőséget okozó, a koffein élénkítő nitrogéntartalmú vegyület. A szerkezet felismerése kémiai feladat, a hatás és kockázat pedig az adag, a bejutási út és az egyéni körülmények függvénye is. A természetes eredet nem jelent automatikus ártalmatlanságot.

Aminok

Az amin rendűsége a nitrogénhez kapcsolódó szénhidrogéncsoportok száma; értékűsége külön fogalom. A nemkötő elektronpár miatt bázisok: CH3NH2+H2O⇌CH3NH3++OH−, savval ammóniumsót képeznek. Primer és szekunder aminok egymással hidrogénkötést is alkothatnak, a tercier amin nem H-donor; forráspontnál a moláris tömeg és alak is számít.

Az anilin nitrogén-elektronpárjának delokalizációja

Az anilin nitrogén-elektronpárjának delokalizációjaAz anilin nitrogénjének elektronpárja kölcsönhat a benzolgyűrű π-elektronrendszerével. Az első rajzban a nitrogén három egyszeres kötést és egy nemkötő párt hordoz; a további határszerkezetekben a gyűrűhöz részleges kettőskötés-jelleget szemléltető C=N kötés, a nitrogénen formális +1, orto- vagy para-helyzetben −1 töltés szerepel. Minden rajz teljes töltése nulla. Egyetlen molekuláról van szó, nem négy egymásba alakuló anyagról. A delokalizáció csökkenti a nitrogén elektronpárjának protonkötésre való rendelkezésre állását, ezért az anilin az egyszerű alkil-aminoknál gyengébb bázis.Az anilin elektronpárja delokalizálódikNH2N: nemkötő elektronpár.↔NH2+−Töltés: orto-C.↔NH2+−Töltés: para-C.↔NH2+−Töltés: orto-C.Egy molekula négy határszerkezete.A ↔ nem reakcióegyensúlyt jelent.
Ábra szöveges leírása
SzerkezetBázisosság
Alkil-aminAz N elektronpárja nem delokalizálódik közvetlen aromás rendszerrel
AnilinAz N elektronpárja az aromás rendszerrel kölcsönhat
FontosAz anilin gyenge bázis; nem teljesen bázis nélküli anyag
Az anilin nitrogénjének elektronpárja kölcsönhat a benzolgyűrű π-elektronrendszerével. Az első rajzban a nitrogén három egyszeres kötést és egy nemkötő párt hordoz; a további határszerkezetekben a gyűrűhöz részleges kettőskötés-jelleget szemléltető C=N kötés, a nitrogénen formális +1, orto- vagy para-helyzetben −1 töltés szerepel. Minden rajz teljes töltése nulla. Egyetlen molekuláról van szó, nem négy egymásba alakuló anyagról. A delokalizáció csökkenti a nitrogén elektronpárjának protonkötésre való rendelkezésre állását, ezért az anilin az egyszerű alkil-aminoknál gyengébb bázis.

Az anilin is gyenge bázis

C6H5NH2 + H2O ⇌ C6H5NH3+ + OH-

Az egyensúly erősen a semleges anilin felé tolódik, de a bázisosság nem nulla. Sósavval anilínium-klorid képződik: C6H5NH2 + HCl → C6H5NH3+ + Cl-.

Aminosav és amid

A szokásos fehérjealkotó α-aminosavak a glicin kivételével királisak, és a fehérjékben túlnyomórészt L-konfigurációjúak. A természetben D-aminosavak is előfordulnak; a DL jelölés nem a fényforgatás iránya. Szilárdan és megfelelő pH-n ikerionos szerkezet dominál. Az ikerion savasításakor a karboxilátcsoport vesz fel protont, lúgosításakor pedig az ammóniumcsoport ad le protont. Így kationos, illetve anionos alak kerülhet túlsúlyba. Amidban a N nemkötő elektronpárja delokalizálódik a C=O rendszerrel, ezért a csoport közel sík, a C–N kötés részleges kettőskötés-jellegű és az amid kevésbé bázikus az aminnál.

Heterociklusok

Piridinben a N nemkötő párja nem része az aromás szextettnek, ezért protonálható; pirrolban a pár része az aromás rendszernek, ezért sokkal gyengébb bázis. Imidazol egyik nitrogénje piridin-, másik pirroljellegű, így savval és bázissal is reagálhat. Pirimidin- és purinváz nukleinsavbázisokban, porfirinváz hemben és klorofillban jelenik meg. Hatóanyaghatást mindig dózissal és bizonyítékkal értékelj.

Négy nitrogéntartalmú heterociklus szerkezete és π-elektronjai

Négy nitrogéntartalmú heterociklus szerkezete és π-elektronjaiA gyűrű jelöletlen csúcsai szénatomok; a szénhez kapcsolódó hidrogéneket nem rajzoltuk ki. A kettős kötések egy-egy határszerkezetet mutatnak, a valós π-elektronrendszer delokalizált. Piridinben és pirimidinben minden gyűrűatom egy π-elektront ad, az N nemkötő párja a gyűrű síkjában marad, és protont fogadhat. Pirrolban az N két elektronja része az aromás rendszernek; a megrajzolt N–H kötés miatt donor lehet, de az N nem szokásos hidrogénkötés-akceptor. Imidazolban egy piridinszerű és egy pirrolszerű nitrogén van. A kék pontpárok a π-rendszeren kívüli nemkötő párokat jelölik, nem formális töltéseket. Mind a négy molekula semleges.Melyik elektronpár része a π-rendszernek?PiridinN5 · 1 + 1 = 6 π-elektronPirimidinNN4 · 1 + 2 · 1 = 6 π-elektronPirrolNH4 · 1 + 2 = 6 π-elektronImidazolNHN3 · 1 + 1 + 2 = 6 π-elektronKék pontok: a π-rendszeren kívüli pár.Az N–H nitrogénjének párja delokalizált.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Piridin, pirimidinA nemkötő N-pár a π-rendszeren kívül; bázisos hely
PirrolAz N-pár az aromás szextett része; igen gyenge bázis
ImidazolKét különböző N-hely; protonfelvétel és protonleadás is lehetséges
A gyűrű jelöletlen csúcsai szénatomok; a szénhez kapcsolódó hidrogéneket nem rajzoltuk ki. A kettős kötések egy-egy határszerkezetet mutatnak, a valós π-elektronrendszer delokalizált. Piridinben és pirimidinben minden gyűrűatom egy π-elektront ad, az N nemkötő párja a gyűrű síkjában marad, és protont fogadhat. Pirrolban az N két elektronja része az aromás rendszernek; a megrajzolt N–H kötés miatt donor lehet, de az N nem szokásos hidrogénkötés-akceptor. Imidazolban egy piridinszerű és egy pirrolszerű nitrogén van. A kék pontpárok a π-rendszeren kívüli nemkötő párokat jelölik, nem formális töltéseket. Mind a négy molekula semleges.
Emelt szintű kiegészítés

Heterociklus és heteroaromás gyűrű

Heterociklusban a gyűrűben nem csak szénatomok vannak. Nem minden heterociklus aromás: a telített piperidin például heterociklus, de nincs benne körkörös, konjugált aromás π-rendszer. A tanult piridin, pirimidin, pirrol, imidazol és purin viszont heteroaromás.

Az aromás elektronrendszerben a folytonos p-pálya-kapcsolódás, a megfelelő térbeli elrendeződés és a 4n0 + 2 π-elektron együtt fontos; n nem a gyűrűk száma. A hat π-elektronos példákban n = 1. A nitrogén nemkötő párja csak a pirrolszerű nitrogénnél része az aromás rendszernek.

Emelt szintű kiegészítés

Halmazszerkezet és vízoldhatóság

AnyagHalmazállapot 25 °C-onVízzel való kapcsolat
Piridin, C5H5NSzíntelen, jellegzetes szagú folyadékKorlátlanul elegyedik; N-elektronpárja hidrogénkötést fogad
Pirimidin, C4H4N2FolyadékVízben jól oldódik; két piridinszerű N
Pirrol, C4H5NFolyadékVízoldhatósága korlátozott; N–H donor, N-je nem szokásos akceptor
Imidazol, C3H4N2SzilárdJól oldódik; N–H donor és másik N akceptor
Purin, C5H4N4SzilárdPoláris, több kölcsönhatási helyet tartalmazó gyűrűrendszer
Emelt szintű kiegészítés

Miért más a piridin, a pirrol és az imidazol?

A nitrogén és a szén eltérő elektronegativitása, valamint az elektroneloszlás miatt a tanult heterociklusok polárisak. A piridin nitrogénje felé mutató dipólus a vízhez való kapcsolódással együtt segít megérteni, miért viselkedik másként, mint a benzol. A pirimidin második nitrogénjének elektronvonzó hatása gyengíti a bázisosságot a piridinhez képest; nem helyes egyszerűen azt mondani, hogy két nitrogén miatt feltétlenül kétszer olyan bázisos.

A pirrol N–H csoportja fogadó oxigénnel hidrogénkötést adhat, de nitrogénjének nemkötő párja az aromás rendszer része. Az imidazol saját molekulái között N–H···N hidrogénkötések is kialakulhatnak; ez a szilárd halmaz magasabb olvadáspontját segíti a folyékony pirrolhoz képest. Az olvadáspontot a kristálybeli illeszkedés is alakítja. A pirrol forráspontja körülbelül 130 °C, tehát magasabb a piridin körülbelül 115 °C-os forráspontjánál.

Az olvadáspont külön összehasonlítás: a piridiné közel −42 °C, a pirrolé közel −23 °C, az imidazolé közel 90 °C. A piridin és a pirrol ezért 25 °C-on folyadék, az imidazol szilárd. Az adatok a sorrendet mutatják; a molekulák alakja, a kristálybeli illeszkedés és a kölcsönhatások együtt döntik el a rács felbontásához szükséges hőmérsékletet.

Piridin vízzel és sósavval

C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH-

A piridin gyenge bázis. HCl-dal piridínium-kloridot ad: C5H5N + HCl → C5H5NH+ + Cl-. A protonált piridíniumion protonleadása miatt a só vizes oldata savas lehet; az aromás rendszer protonfelvételkor megmarad.

Emelt szintű kiegészítés

A brómszubsztitúció nem ugyanaz, mint az alkénaddíció

A piridin gyűrűje elektronszegényebb, ezért elektrofil szubsztitúciója a benzolénál jóval nehezebb: erőteljes melegítést és megfelelő reakciókörülményeket igényel. A tanult termék a 3-brómpiridin: C5H5N + Br2 → C5H4BrN + HBr. A szénhez kapcsolódó H helyére Br kerül, a gyűrű aromás jellege visszaáll.

A pirrol elektronban gazdagabb gyűrűje a benzolnál könnyebben reagál; a szubsztitúcióhoz nem szükséges a benzolnál tanult Lewis-sav-katalizátor. Szabályozott körülmények között az első helyettesítés többnyire a nitrogén szomszédságában, a 2-es helyen történik. Brómfelesleggel többszörös helyettesítés is létrejöhet; az iskolai teljes brómozási séma: C4H5N + 4 Br2 → C4HBr4N + 4 HBr. A bróm elszíntelenedése tehát itt sem bizonyít önmagában alkénaddíciót.

A pirrol N–H csoportja megfelelő partnernek protont adhat

2 C4H4NH + 2 K → 2 C4H4NK + H2

A pirrol nagyon gyenge sav; fém káliummal a pirrol káliumsója és hidrogén képződhet. Nem ebből következik közönséges vizes oldatában erős savas kémhatás. A nemkötő pár delokalizációja nem az elektronpár hiányát jelenti.

Az imidazol piridinszerű nitrogénje protont vesz fel

C3H4N2 + H+ ⇌ C3H5N2+

Imidazóliumion képződik; az imidazol a piridinnél erősebb bázis. Másik, N–H nitrogénje megfelelő erős bázissal szemben protonleadó hely: ImH + B- ⇌ Im- + BH. A protonfelvétel és protonleadás eltérő N-helyhez kapcsolódik; ez magyarázza amfoter jellegét.

A purin kondenzált gyűrűrendszere

A purin kondenzált gyűrűrendszereA purinváz egy hattagú, pirimidinjellegű és egy öttagú, imidazoljellegű gyűrű közös két szénatomján és közös kötésén osztozik. A jelöletlen csúcsok szénatomok; a három szénhez kapcsolódó hidrogént elhagytuk, az N–H hidrogént feltüntettük. Így öt C, négy N és összesen négy H adódik. A megrajzolt négy kettős kötés nyolc elektronjához az N–H nitrogén delokalizált párjának két elektronja járul: a közös aromás rendszerben tíz π-elektron van. A purin nem két önálló molekula egyszerű összekeverésével keletkező elegy. Az adenin és guanin ezt a vázat tartalmazó nukleobázisok.A purin két gyűrűje két atomon osztozikNNNNHC5H4N46 + 5 − 2 = 9 gyűrűatom.10 delokalizált π-elektron.Adenin és guanin: purinszármazékok.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Gyűrűatomok6 + 5 − 2 = 9; a közös atomokat egyszer számoljuk
Összetétel5 C + 4 N; alapváz: C5H4N4
π-rendszer4 kettős kötés · 2 e− + 1 elektronpár · 2 e− = 10 e−
A purinváz egy hattagú, pirimidinjellegű és egy öttagú, imidazoljellegű gyűrű közös két szénatomján és közös kötésén osztozik. A jelöletlen csúcsok szénatomok; a három szénhez kapcsolódó hidrogént elhagytuk, az N–H hidrogént feltüntettük. Így öt C, négy N és összesen négy H adódik. A megrajzolt négy kettős kötés nyolc elektronjához az N–H nitrogén delokalizált párjának két elektronja járul: a közös aromás rendszerben tíz π-elektron van. A purin nem két önálló molekula egyszerű összekeverésével keletkező elegy. Az adenin és guanin ezt a vázat tartalmazó nukleobázisok.
Emelt szintű kiegészítés

Melyik váz hol jelenik meg?

VázPéldaKémiai kapcsolat
PiridinB6-vitamin-családPiridinvázat hordozó vitaminszármazékok
PirimidinCitozin, timin, uracilNukleotidok bázisai
Pirroljellegű gyűrűkHem, klorofillPorfirinjellegű tetrapirrolos rendszer; eltérő központi fém
ImidazolHisztidinFehérjék oldallánca; protonátadás
PurinAdenin, guaninKét kondenzált gyűrűt tartalmazó nukleobázisok

Amin protonfelvétele

R–NH2 + H2O ⇌ R–NH3+ + OH−

Amin protonálódása

RNH2 + H3O+ ⇌ RNH3+ + H2O

Amin és víz

RNH2 + H2O ⇌ RNH3+ + OH−

Peptidkötés képződése

H2N–CHR–COOH + H2N–CHR′–COOH → H2N–CHR–CO–NH–CHR′–COOH + H2O

A rendezett kondenzációs mérleg két aminosavból egy dipeptid és egy vízmolekula képződését írja le. Megfelelő aktiválás vagy reakciófeltételek szükségesek: két aminosav vizes oldatának egyszerű összekeverése nem jelent teljes peptidképződést.

Amin protonálása

RNH2 + H3O+ → RNH3+ + H2O

Aminosav ikerion

H2N–CHR–COOH ⇌ +H3N–CHR–COO−

A nitrogén elektronpárjának sorsa

A nitrogén elektronpárjának sorsaAminban lokalizált és bázikus, amidban karbonillal delokalizált, pirrolban az aromás rendszer része; ez meghatározza a reakciókészséget.amin: hozzáférhetőpáramid: C=O-valdelokalizáltpirrol: aromás pár
Ábra szöveges leírása
LépésJelentés
1.amin: hozzáférhető pár
2.amid: C=O-val delokalizált
3.pirrol: aromás pár
Aminban lokalizált és bázikus, amidban karbonillal delokalizált, pirrolban az aromás rendszer része; ez meghatározza a reakciókészséget.

Módszer kiválasztása

Melyik aminosav nem királis?

Válassz, indokold magadban, majd csak ezután fedd fel a magyarázatot.

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ

Alkalmazási feladat

Melyik állítás javítja pontosan ezt a tévedést: „Az amid nem amin”?

Válassz, indokold magadban, majd csak ezután fedd fel a magyarázatot.

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ
Hivatalos témaköri követelmények

Középszintű követelmények

Aminok

  • Fogalmak: az aminok funkciós csoportja

Elnevezés

  • Fogalmak: az aminok elnevezésének szabályai

Tulajdonságok

  • Elvárt művelet: Ismerje az egy, két és három szénatomos aminok elnevezését.

Kémiai reakciók

  • Fogalmak: sav-bázis sajátságaik.

Aminosavak

  • Fogalmak: aminosav fogalma

Példák

  • Fogalmak: glicin

Csoportosítás

  • Fogalmak: az aminosavak csoportosítása az oldalláncok fajtái szerint

Szerkezet

  • Fogalmak: az α-aminosav általános szerkezete

Tulajdonságok

  • Fogalmak: halmazállapotuk, amfoter jellegük
  • Elvárt művelet: Értelmezze ikerionos szerkezetüket a glicin példáján. Értse a glicin olvadáspontjának magyarázatát.

Előfordulás

  • Fogalmak: előfordulás a fehérjékben, kötötten

Savamidok

  • Fogalmak: savamidok funkciós csoportja

Elnevezés

  • Fogalmak: a savamidok elnevezésének szabályai, a savamidok triviális nevei (formamid, acetamid, karbamid)

Anyagszerkezet

  • Elvárt művelet: Értse a savamidok polaritását.

Tulajdonságok

  • Fogalmak: a savamidok halmazállapota
  • Elvárt művelet: Értse a savamidok olvadáspontjának halmazszerkezeti magyarázatát.

További emelt szintű követelmények

Csoportosítás

  • Fogalmak: értékűségük, rendűségük, az egyértékű, nyílt láncú alkil-aminok homológ sorának általános képlete
  • Elvárt művelet: Ismerje fel az aminok értékűségét, a rendűségét.

Elnevezés

  • Fogalmak: triviális név (anilin)

Tulajdonságok

  • Fogalmak: színük, szaguk, halmazállapotuk, oldhatóságuk
  • Elvárt művelet: Ismerje az egyszerűbb aminok elnevezését és csoportba sorolását a képlet alapján, a név alapján a képlet felírását. Értelmezze az aminok olvadás- és forráspontjának, valamint oldhatóságának halmazszerkezeti okait, az anilin oldhatóságát. Hasonlítsa össze az izomer aminok (primer, szekunder, tercier) forráspontját egymással és a megfelelő moláris tömegű alkánokéval.

Kémiai reakciók

  • Fogalmak: amidképzés.
  • Elvárt művelet: Értse a metil-amin reakcióját vízzel, hidrogén-kloriddal, a keletkezett só elnevezését. Értelmezze az alkil- és aril-aminok reakcióját vízzel és hidrogén-kloriddal.

Szerkezet

  • Fogalmak: kiralitásuk, a természetes eredetű aminosavak konfigurációja

Tulajdonságok

  • Elvárt művelet: Értelmezze a glicin sósavval, nátrium-hidroxiddal való reakcióját.

Előfordulás

  • Elvárt művelet: Becsülje meg a természetes eredetű aminosavak polaritását, sav-bázis tulajdonságát képlet alapján.

Elnevezés

  • Fogalmak: a savamidok delokalizált π-elektronrendszere
  • Elvárt művelet: Nevezze el az egyszerűbb amidokat.

Anyagszerkezet

  • Elvárt művelet: Értse a savamidok síkalkatú σ-vázát.

Tulajdonságok

  • Fogalmak: a savamidok oldhatósága
  • Elvárt művelet: Viszonyítsa a savamidokban a hidrogénkötés erősségét a megfelelő moláris tömegű karbonsavakhoz.

Kémiai reakciók

  • Elvárt művelet: Ismerje a savamidok savas hidrolízisét, sav-bázis tulajdonságaikat.

Nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületek 3.5.4.1 Piridin

  • Fogalmak: a piridin konstitúciója, aromás elektronrendszere
  • Elvárt művelet: Értse a piridin polaritását.

Tulajdonságok

  • Fogalmak: a piridin színe, szaga, halmazállapota, oldhatósága, sav-bázis sajátságai, szubsztitúciós hajlama
  • Elvárt művelet: Értelmezze az piridin olvadáspontját és az oldhatóságát. Értse a piridin reakcióját vízzel és hidrogén-kloriddal, a halogénszubsztitúcióját, a folyamat körülményeit. Értelmezze a piridin benzolhoz viszonyított szubsztitúciós hajlamát.

Jelentőség

  • Fogalmak: a piridint több vitamin, enzim, gyógyszer tartalmazza

Pirimidin

  • Fogalmak: a pirimidin konstitúciója, aromás elektronrendszere
  • Elvárt művelet: Értse a pirimidin polaritását.

Tulajdonságok

  • Fogalmak: a pirimidin halmazállapota, oldhatósága, sav-bázis sajátságai
  • Elvárt művelet: Értelmezze a pirimidin oldhatóságát.

Jelentőség

  • Fogalmak: a pirimidinszármazékok nukleotidalkotók

Pirrol

  • Fogalmak: a pirrol konstitúciója, aromás elektronrendszere
  • Elvárt művelet: Értse a pirrol polaritását.

Tulajdonságok

  • Fogalmak: a pirrol halmazállapota, oldhatósága, sav-bázis sajátságai, szubsztitúciós hajlama
  • Elvárt művelet: Értse a pirrol oldhatóságát, olvadáspontját piridinéhez viszonyítva, a szubsztitúcióját brómmal. Értelmezze a reakció körülményeit, a szubsztitúciós készségét a benzoléhoz viszonyítva.

Jelentőség

  • Fogalmak: porfirinváz (klorofill, hemoglobin)

Imidazol

  • Fogalmak: az imidazol konstitúciója, aromás elektronrendszere
  • Elvárt művelet: Értelmezze az imidazol polaritását.

Tulajdonságok

  • Fogalmak: az imidazol amfoter jellege, halmazállapota, oldhatósága
  • Elvárt művelet: Értse az imidazol amfoter sajátságát, az oldhatóságát és az olvadáspontját, az olvadáspontjának a pirroléhoz viszonyított értékét, reakcióját savval, bázissal.

Jelentőség

  • Fogalmak: az imidazol fehérjék oldalláncában protonátvivő szerepet játszik

Purin

  • Fogalmak: a purin konstitúciója, aromás elektronrendszere

Jelentőség

  • Fogalmak: a purinszármazékok nukleotidalkotók

Gyógyszerek, drogok, hatóanyagok

  • Fogalmak: a gyógyszerek és drogok élettani, pszichikai hatása

Egyéb

  • Elvárt művelet: Alkalmazza a nitrogéntartalmú szerves vegyületekről tanultakat a mindennapi jelenségek, információk (pl. a szenvedélybetegségek) értelmezésében.

Szóbeli felkészülés

Mondd el 90 másodpercben: definíció → szerkezeti/részecskemodell → jellegzetes adat vagy megfigyelés → rendezett egyenlet → egy alkalmazás és biztonsági/környezeti feltétel. Ezután válaszolj egy „mi változna, ha…?” kérdésre.

Ismétlési ciklus

  1. 24 órán belül: zárt könyvvel írd le a három fő összefüggést.
  2. 3–4 nap múlva: oldd meg újra az alkalmazást, és javítsd a tévképzetet.
  3. 1–2 hét múlva: kapcsolj hozzá egy másik témakört vagy kísérletet.
Források