A) A nitrogén szerepe
A nitrogén a szerves vegyületekben
A nitrogénatomnak öt vegyértékelektronja van; ebből hármat kötésekre használ, egy pedig nemkötő (magános) elektronpárként marad rajta. A szerves nitrogénvegyületek szinte minden jellegzetes tulajdonsága ebből az egyetlen nemkötő elektronpárból vezethető le:
- a nemkötő pár protont képes felvenni → az aminok bázisok;
- a nemkötő pár és az N–H kötés révén a molekula hidrogénkötést tud kialakítani (donorként és akceptorként is);
- karbonilcsoport mellé kerülve a nemkötő pár delokalizálódik → az amidcsoport sík és stabilis lesz.
A nitrogénatom három kötése mellett egy nemkötő elektronpárt hordoz. Ez a „szabad" elektronpár a legfontosabb rendezőelv: attól függően, hogy szabadon áll, protonálódik, vagy egy π-rendszerbe delokalizálódik, kapunk erős vagy gyenge bázist, illetve stabilis amidszerkezetet.
B) Az aminok
Az aminok és rendűségük
Az aminok az ammónia (NH₃) szerves származékai: a molekulában az ammónia egy, két vagy három hidrogénjét szénhidrogéncsoport helyettesíti. A jellemző funkciós csoport az amincsoport, amelynek középpontja a nemkötő elektronpárt hordozó nitrogénatom.
Olyan nitrogéntartalmú szerves vegyület, amelyben a nitrogénatomhoz egy, kettő vagy három szénatom és a fennmaradó helyeken hidrogénatom kapcsolódik. A funkciós csoport lehet –NH₂ (primer), >NH (szekunder) vagy >N– (tercier).
A rendűség: a nitrogénhez kötött SZÉNATOMOK száma
Az aminok rendűségét — az alkoholoktól eltérően — nem egy szénatom szomszédai, hanem közvetlenül a nitrogénatomhoz kapcsolódó szénatomok száma adja meg:
- Primer (elsőrendű) amin: a nitrogénhez egy szénatom kapcsolódik (–NH₂). Pl. metil-amin.
- Szekunder (másodrendű) amin: a nitrogénhez két szénatom kapcsolódik (>NH). Pl. dimetil-amin.
- Tercier (harmadrendű) amin: a nitrogénhez három szénatom kapcsolódik (>N–). Pl. trimetil-amin.
Interaktív: rendűség-osztályozó
Válassz egy vegyületet! A rajz kiemeli a nitrogénhez kötött szénatomokat (és amidnál a karbonilcsoportot), és megmutatja, primer, szekunder vagy tercier amin, illetve amid-e a molekula.
Nevezéktan és általános képlet
Az aminok elnevezése
Az egyszerű aminok nevét úgy képezzük, hogy a nitrogénhez kapcsolódó szénhidrogéncsoport(ok) nevét betűrendben felsoroljuk, majd hozzáfűzzük az -amin szót. Az azonos csoportok számát a di-, tri- szorzószámmal jelöljük.
| Név | Képlet | Rendűség |
|---|---|---|
| metil-amin | CH₃–NH₂ | primer |
| etil-amin | C₂H₅–NH₂ | primer |
| dimetil-amin | (CH₃)₂NH | szekunder |
| etil-metil-amin | CH₃–NH–C₂H₅ | szekunder |
| trimetil-amin | (CH₃)₃N | tercier |
A telített, egyértékű aminok általános képlete
A telített, nyílt láncú, egyértékű (egy amincsoportot tartalmazó) aminok általános képlete a megfelelő alkánból vezethető le: egy hidrogént az –NH₂ csoportra cserélünk, azaz a láncot egy nitrogénnel és két hidrogénnel bővítjük:
Az aminok fizikai tulajdonságai
Halmazállapot és szag — tendencia, nem éles határ
Az aminok halmazállapota a moláris tömeggel (a szénlánc növekedésével) fokozatosan változik, de nincs éles, szénatomszámhoz köthető határ — a rendűség és az elágazás is befolyásolja:
- a legkisebb aminok (metil-amin, dimetil-amin, trimetil-amin, etil-amin) szobahőmérsékleten gázok;
- a közepes tagok folyadékok;
- a nagy moláris tömegű aminok szilárd anyagok.
Szaguk jellegzetes: a kisebb aminok az ammóniára emlékeztető, szúrós, sokszor kellemetlen (halszagú) illatúak. (A romló hal és a bomló fehérje bűzét részben aminok okozzák.)
Hidrogénkötés — donor ÉS akceptor
Az amincsoport nitrogénje hidrogénkötést tud kialakítani, mégpedig kétféleképpen:
- donorként: a poláris N–H kötés hidrogénje egy másik molekula elektronpárjához kapcsolódik (csak primer és szekunder aminnál van N–H!);
- akceptorként: a nitrogén nemkötő elektronpárja fogad egy másik molekula –OH vagy –NH hidrogénjét — ez tercier aminnál is működik.
Hasonló moláris tömegű vegyületeknél: alkán < amin < alkohol. Az alkán csak gyenge diszperziós kötést ad; az amin N–H···N hidrogénkötése közepesen erős; az alkohol O–H···O hidrogénkötése a legerősebb (az oxigén nagyobb elektronegativitása miatt polárisabb a kötés).
Vízoldhatóság
A kisebb aminok jól oldódnak vízben, mert az amincsoport a vízzel hidrogénkötést létesít (donorként és/vagy akceptorként). A szénlánc növekedésével a vízoldhatóság — az alkoholokhoz hasonlóan — csökken, mert a nagy apoláris szénhidrogénrész elnyomja a poláris amincsoport hatását.
Az aminok bázicitása
Az aminok legfontosabb kémiai tulajdonsága, hogy — az ammóniához hasonlóan — bázisok. A nitrogén nemkötő elektronpárja protont (H⁺) képes felvenni, miközben ammóniumion típusú kation keletkezik:
Sóképzés savakkal
Bázisként az amin savakkal sót képez, ugyanúgy, ahogy az ammónia ammóniumsókat ad. A só ionos, vízben jól oldódó szilárd anyag:
Ez a reakció fontos a gyógyszeriparban: sok bázikus hatóanyagot (amint) sósavas sóként (–hidroklorid) hoznak forgalomba, mert az jobban oldódik és stabilabb.
A bázicitás rangsora
Nem minden amin egyformán erős bázis: annál erősebb, minél könnyebben hozzáférhető és minél nagyobb elektronsűrűségű a nemkötő elektronpár. Ezért:
- Az alifás aminok erősebb bázisok az ammóniánál: az alkilcsoportok elektronküldők (+I effektus), növelik a nitrogén elektronsűrűségét, így a nemkötő pár „bázikusabb", könnyebben köt protont.
- Az anilin gyengébb bázis az ammóniánál: a nemkötő elektronpár a benzolgyűrűbe delokalizálódik, ezért kevésbé hozzáférhető a proton számára (lásd a 6. részt).
Interaktív: bázicitás-rangsoroló
Kattints egy vegyületre, és nézd meg, hol áll a bázicitási sorban, és mi történik a nemkötő elektronpárral — szabadon áll, vagy a gyűrűbe delokalizálódik!
Az anilin (fenil-amin)
Az anilin (fenil-amin) a legegyszerűbb aromás amin: egy benzolgyűrű, amelyhez közvetlenül egy amincsoport kapcsolódik. Összegképlete C₆H₇N — ez nem illik a telített aminok CₙH₂ₙ₊₃N sorába, mert az anilin aromás (telítetlen) vegyület. Színtelen, olajszerű folyadék, amely a levegőn barnára színeződik; mérgező.
Az anilin nitrogénjének nemkötő elektronpárja átfed a benzolgyűrű π-elektronrendszerével, és részben abba delokalizálódik. Emiatt a nemkötő pár kevésbé hozzáférhető a proton számára, így az anilin gyengébb bázis, mint az ammónia és az alifás aminok.
Jelentőség
- Festékipar: az anilin a szintetikus azoszínezékek és számos festék kiindulási anyaga (az „anilinfestékek" névadója).
- Gyógyszeripar: gyógyszerek (pl. korábban lázcsillapítók, szulfonamidok) és számos szerves alapanyag előállításának fontos nyersanyaga.
- Műanyagipar: poliuretánok gyártásának egyik köztiterméke.
C) Az amidok
Az amidok és rendűségük
Az amidok (savamidok) a karbonsavakból származtatható vegyületek: a karboxilcsoport –OH részét egy amincsoportra (–NH₂) cseréljük. A jellemző funkciós csoport az amidcsoport, amelyben egy karbonilcsoport és egy nitrogénatom kapcsolódik össze:
Olyan vegyület, amelyben a nitrogénatom közvetlenül egy karbonilcsoport (>C=O) szénatomjához kapcsolódik. A karbonsav és az amin (vagy ammónia) „vízkilépéses" származéka: R–COOH + H–NH₂ → R–CO–NH₂ + H₂O.
Az amidok rendűsége
Az amidok rendűségét — az aminokhoz hasonlóan — a nitrogénhez kapcsolódó szénatomok száma adja (a karbonil-szenet is beleértve):
- Primer amid: a nitrogénen egy szénatom (a karbonilé) van, két H marad: –CO–NH₂. Pl. acetamid.
- Szekunder amid: a nitrogénen a karbonil mellett még egy szénhidrogéncsoport ül: –CO–NH–R. (Ilyen a fehérjék peptidkötése.)
- Tercier amid: a nitrogénen a karbonil mellett két szénhidrogéncsoport ül: –CO–NR₂. Pl. N,N-dimetil-acetamid.
Az amidcsoport szerkezete
Az amidcsoport nem viselkedik úgy, mint egy egyszerű amin: a nitrogén nemkötő elektronpárja itt nem szabad, mert a szomszédos karbonilcsoport π-rendszerével delokalizálódik. Ez a delokalizáció az amidok minden fontos tulajdonságát megmagyarázza.
A nitrogén nemkötő elektronpárja átfed a karbonil π-kötésével, így a hat elektron a O=C–N atomokon delokalizálódik. Emiatt a C–N kötés részleges kettőskötés-jelleget kap, az amidcsoport minden atomja egy síkba rendeződik, és a C–N kötés körüli forgás gátolt (nehezített).
Az amidok fizikai tulajdonságai
Az amidok fizikai tulajdonságait a karbonilcsoport (akceptor) és — a primer és szekunder amidoknál — az N–H kötés (donor) együtt szabja meg. Így az amidok különösen erős hidrogénkötésre képesek.
- Primer és szekunder amid (van N–H): a molekulák egymással erős, kiterjedt hidrogénkötés-hálót alakítanak ki → magas olvadás- és forráspont. Az acetamid pl. szobahőmérsékleten szilárd anyag, míg a hasonló tömegű ecetsav folyadék.
- Tercier amid (nincs N–H): a molekulák egymással nem tudnak N–H···O hidrogénkötést kialakítani (nincs donor H), ezért olvadás- és forráspontjuk alacsonyabb a primer/szekunder amidokénál. (Éppen ezért jó, poláris oldószerek — pl. a dimetil-formamid.)
A kis moláris tömegű amidok jól oldódnak vízben: a karbonil oxigénje akceptorként, az N–H hidrogénje donorként létesít hidrogénkötést a vízzel. A tercier amidok is oldódnak, mert a karbonil-oxigén ekkor is akceptorként működik. A szénlánc növekedésével a vízoldhatóság itt is csökken.
| Tulajdonság | Primer / szekunder amid | Tercier amid |
|---|---|---|
| N–H kötés | van (donor) | nincs |
| H-kötés egymás közt | erős, kiterjedt háló | nem alakul ki (nincs donor H) |
| Op. / fp. | magas | alacsonyabb |
| Vízoldhatóság (kis tag) | jó (donor + akceptor) | jó (csak akceptor, C=O) |
Az amidok hidrolízise — interaktív
Az amidcsoport a delokalizáció miatt stabilis, de vízzel — savas vagy lúgos katalízissel, melegítve — elhidrolizál: a C–N kötés felszakad, és visszakapjuk a kiindulási karbonsav- és amin- (ammónia-) származékot. A közeg (sav vagy lúg) dönti el, milyen formában keletkeznek a termékek. Kapcsolj a két út között!
Nevezetes amidok
Karbamid (urea) — a szénsav diamidja
A karbamid (urea) képlete CO(NH₂)₂. Fontos: a karbamid NEM egy alkánsav amidja (nem „alkánamid"), hanem a szénsav (H₂CO₃) diamidja — a szénsav mindkét –OH csoportját amincsoportra cseréltük:
- Az anyagcserében: a karbamid az emlősök (és az ember) fehérje-anyagcseréjének fő nitrogéntartalmú végterméke. A fehérjék lebontásakor keletkező mérgező ammóniát a máj az ureaciklusban (karbamidciklus) alakítja a jóval kevésbé mérgező, vízoldható karbamiddá, amit a vese a vizelettel ürít.
- Műtrágya: a karbamid a mezőgazdaság egyik legfontosabb, nagy nitrogéntartalmú műtrágyája.
- Alapanyag: karbamid-formaldehid műgyanták (ragasztók, műanyagok) gyártásában.
Poliamidok — a nejlon
Ha sok kétfunkciós molekula (egy diaminok és egy dikarbonsav, vagy egy amino- és karboxilcsoportot is hordozó monomer) amidkötésekkel hosszú láncba kapcsolódik, poliamidot kapunk. A legismertebb a nejlon.
- A nejlon kondenzációs polimer: a monomerek összekapcsolódásakor minden lépésben egy kis molekula (víz) lép ki.
- A láncot ismétlődő amidkötések (–CO–NH–) tartják össze — ezek az erős, kiterjedt hidrogénkötések adják a nejlonszál nagy szilárdságát.
- Felhasználás: textilszálak (harisnya, ruházat), műszaki elemek, kötelek.
D) Az aminosavak
Az aminosavak — kétfunkciós vegyületek
Az aminosavak olyan vegyületek, amelyek egyszerre tartalmaznak amino- (–NH₂) és karboxilcsoportot (–COOH). Ez a kettősség teszi őket az élet szempontjából kulcsfontosságúvá: az aminosavak a fehérjék építőkövei (a peptidkötés éppen egy amidkötés!).
Olyan aminosav, amelyben az aminocsoport a karboxilcsoporthoz közvetlenül szomszédos (α-helyzetű) szénatomon ül. A természetes fehérjéket felépítő 20 aminosav mind α-aminosav. Általános szerkezetük: a központi (α-)szénatomhoz kapcsolódik egy –NH₂, egy –COOH, egy H és egy változó oldallánc (R).
Az ikerion (zwitterion) és az amfoter jelleg
Mivel az aminosav egyszerre tartalmaz savas (–COOH) és bázikus (–NH₂) csoportot, ezek a molekulán belül reagálnak: a karboxilcsoport protont ad át az aminocsoportnak. Így egy belső só, az ikerion (zwitterion) keletkezik, amelyben egyszerre van pozitív (–NH₃⁺) és negatív (–COO⁻) töltés — a molekula kifelé mégis semleges:
Az aminosavak amfoterek: savval és lúggal is reagálnak. Savas közegben az –COO⁻ felveszi a protont → a molekula kationná alakul; lúgos közegben az –NH₃⁺ ad le protont → anion keletkezik. Azt a pH-t, ahol a molekula átlagosan semleges (ikerion) formában van, izoelektromos pontnak (pI) nevezzük.
Interaktív: az ikerion pH-szimulátora
Húzd a csúszkát, és nézd meg, milyen formában van a glicin adott pH-n — savas közegben kation, semleges körül ikerion, lúgos közegben anion. Az izoelektromos pont (pI ≈ 6,0) ott van, ahol az ikerion dominál.
Csoportosítás és esszenciális aminosavak
- Az oldallánc (R) alapján az aminosavak lehetnek apolárisak, polárisak, savasak vagy bázikusak — ez határozza meg a belőlük épülő fehérje tulajdonságait.
- A természetes fehérjéket 20-féle α-aminosav építi fel, jellemzően az L-formájuk (a glicin akirális, nála nincs L/D).
- Az esszenciális aminosavakat a szervezet nem (vagy nem elég gyorsan) tudja előállítani, ezért ezeket a táplálékkal kell felvennünk (pl. valin, leucin, lizin).