Szerves kémia · Nitrogéntartalmú vegyületek · Aminok, amidok és aminosavak

Aminok, amidok és aminosavak

A nitrogén nemkötő elektronpárja végigvezet ezen a fejezeten: ez adja az aminok bázicitását, ez stabilizálja az amidok sík, delokalizált szerkezetét, és ez teszi kétarcúvá az aminosavakat. Az ammónia szerves származékaitól (aminok, rendűség, bázicitás, anilin) az amidokon (szerkezet, hidrolízis, karbamid, poliamidok) át jutunk el az élet építőköveihez, az aminosavakhoz — mindig a szerkezet → tulajdonság → felhasználás logikája mentén, előkészítve a fehérjék témakörét.

amincsoport (–NH₂) rendűség bázicitás anilin amidcsoport (–CO–NH–) karbamid · poliamidok aminosav · ikerion

A) A nitrogén szerepe

01

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 nitrogén nemkötő elektronpárja

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.

A fejezet térképe — a nemkötő elektronpár három arca
N-atom + nemkötő pár a szerves nitrogénvegyületek kulcsa Aminok R–NH₂ szabad nemkötő pár → BÁZIS az ammónia szerves származékai Amidok –CO–NH– pár a C=O-hoz delokalizálódik → SÍK, STABILIS a karbonsavak amidjai Aminosavak –NH₂ + –COOH bázis és sav egy molekulában → IKERION, AMFOTER a fehérjék építőkövei
Egyetlen közös elem — a nitrogén nemkötő elektronpárja — köti össze a fejezet három vegyületcsaládját: az aminokat (bázis), az amidokat (sík, delokalizált) és az aminosavakat (kétfunkciós, amfoter).

B) Az aminok

02

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.

Amin

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:

⚠️
Ne keverd az alkoholok rendűségével! Az alkoholnál a hidroxilt viselő szénatom szénszomszédait számoljuk. Az aminnál viszont magának a nitrogénatomnak a szénszomszédait — vagyis hány szénhidrogéncsoport ül közvetlenül a N-en. Ezért lehet egy „egyszerű" metil-amin (CH₃NH₂) primer, míg a dimetil-amin ((CH₃)₂NH) szekunder.
Az amincsoport három rendűsége (a nemkötő pár jelölve)
Primer · –NH₂ N C H H 1 szénatom a N-en Szekunder · >NH N C C H 2 szénatom a N-en Tercier · >N– N C C C 3 szénatom a N-en
A rendűséget a nitrogénhez közvetlenül kötött szénatomok (kiemelve) száma adja: 1 → primer (–NH₂), 2 → szekunder (>NH), 3 → tercier (>N–). A nitrogénen mindig ott a lüktetve jelölt nemkötő elektronpár.

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.


03

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.

NévKépletRendűség
metil-aminCH₃–NH₂primer
etil-aminC₂H₅–NH₂primer
dimetil-amin(CH₃)₂NHszekunder
etil-metil-aminCH₃–NH–C₂H₅szekunder
trimetil-amin(CH₃)₃Ntercier

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:

alkán: CnH2n+2   →   amin: CnH2n+2 − H + NH2 = CnH2n+3N
telített, egyértékű amin: CnH2n+3N
💡
Ellenőrzés példával. Metil-amin (n = 1): C₁H₅N = CH₃NH₂ ✓. Etil-amin (n = 2): C₂H₇N = C₂H₅NH₂ ✓. A képlet a rendűségtől független: a dimetil-amin (szekunder) és a trimetil-amin (tercier) is beleillik — pl. a trimetil-amin (CH₃)₃N összegképlete C₃H₉N, ami n = 3-ra pontosan C₃H₉N. Ugyanannyi C, H, N, csak másképp elrendezve (izoméria).
Metil-, etil-, dimetil- és trimetil-amin szerkezete
Metil-amin · primer CH₃ N H H CH₃NH₂ · CH₅N Etil-amin · primer CH₃ CH₂ N H H C₂H₅NH₂ · C₂H₇N Dimetil- / trimetil-amin CH₃ N CH₃ H (CH₃)₂NH · szekunder (CH₃)₃N · tercier a 3. metil a H helyén
A szénhidrogéncsoportok betűrendben, majd az -amin végződés. A nitrogénen mindig ott a nemkötő elektronpár (kék pöttyök) — ez adja a bázicitást. Mind beleillik a CₙH₂ₙ₊₃N sorba.

04

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:

Szaguk jellegzetes: a kisebb aminok az ammóniára emlékeztető, szúrós, sokszor kellemetlen (halszagú) illatúak. (A romló hal és a bomló fehérje bűzét részben aminok okozzák.)

⚠️
Kerüld a merev szénatomszám-határt! Nem helytálló azt mondani, hogy „adott szénatomszámig folyadék, fölötte szilárd". A halmazállapot a moláris tömeggel tendenciaszerűen tolódik gáz → folyadék → szilárd irányba, de a pontos határ függ a szerkezettől (rendűség, elágazás, hidrogénkötésre való képesség).

Hidrogénkötés — donor ÉS akceptor

Az amincsoport nitrogénje hidrogénkötést tud kialakítani, mégpedig kétféleképpen:

Forráspontok sorrendje azonos moláris tömegnél

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).

Forráspont azonos moláris tömegnél: alkán < amin < alkohol
forráspont → alkán diszperziós amin N–H···N (közepes) alkohol O–H···O (erős) erősödő másodrendű kötés → magasabb forráspont
Azonos moláris tömegnél a másodrendű kötés erőssége dönt: az alkán csak diszperziós kötést ad, az amin N–H···N hidrogénkötése közepes, az alkohol O–H···O kötése a legerősebb. Ezért alkán < amin < alkohol.
🔑
A tercier aminnak nincs N–H kötése! Ezért a tercier amin molekulái egymással nem tudnak N–H···N hidrogénkötést kialakítani (nincs donor H) → forráspontja alacsonyabb az azonos tömegű primer/szekunder aminénál. Vízzel viszont a tercier amin is akceptorként létesít hidrogénkötést (a nemkötő pár fogadja a víz H-ját), ezért a kisebb aminok vízoldhatók.

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.


05

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:

R–NH2 + H+ → R–NH3+   (alkil-ammóniumion)
Az amin protonálódása: a nemkötő pár felveszi a protont (animált)
amin (bázis) R N nemkötő pár H H H⁺ → ammóniumion (sav) R N + H H H R–NH₃⁺
A protonálódás lényege: a nitrogén nemkötő elektronpárja köti meg a protont, és egy negyedik N–H kötés jön létre. A pozitív töltésű, négy kötésű nitrogén az ammóniumion szerkezetét viseli.

Sóképzés savakkal

Bázisként az amin savakkal sót képez, ugyanúgy, ahogy az ammónia ammóniumsókat ad. A só ionos, vízben jól oldódó szilárd anyag:

CH3NH2 + HCl = CH3NH3+Cl−   (metil-ammónium-klorid)

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:

alifás aminok > ammónia > aromás amin (anilin)

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!

🔑
A rangsor logikája. Az alkilcsoport rátol elektronsűrűséget a nitrogénre → az alifás amin erősebb bázis, mint az ammónia. A benzolgyűrű ezzel szemben elszívja (delokalizálja) a nemkötő párt → az anilin gyengébb bázis, mint az ammónia. Innen: alifás amin > ammónia > anilin.

06

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 gyenge bázis

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.

Az anilin: a nemkötő pár a gyűrűbe delokalizálódik (rezonancia)
π N H H a nemkötő pár a gyűrűbe delokalizálódik → kevésbé hozzáférhető a proton számára → GYENGE BÁZIS C₆H₅–NH₂ · C₆H₇N nem illik a CₙH₂ₙ₊₃N sorba (aromás)
Az anilin nitrogénjének nemkötő párja átfed a benzolgyűrű π-rendszerével és delokalizálódik. Ezért a pár kevésbé áll rendelkezésre protonfelvételre → az anilin gyenge bázis (gyengébb, mint az ammónia és az alifás aminok).

Jelentőség

☠️
Az anilin mérgező! Bőrön át is felszívódik, és a vér oxigénszállítását károsítja (methemoglobin-képződés). Kezelése körültekintést és védőfelszerelést igényel.

C) Az amidok

07

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:

amidcsoport: –CO–NH–    (a nitrogén a karbonil-szénhez kötve)
Amid (savamid)

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):

Az amidcsoport három rendűsége + formamid és acetamid
Primer · –CO–NH₂ R C O N H H Szekunder · –CO–NH–R' R C O N R' H Tercier · –CO–NR'₂ R C O N R' R' Formamid (H–CO–NH₂) H C O N H₂ Acetamid (CH₃–CO–NH₂) CH₃ C O N H₂
Az amid rendűségét a nitrogén szénszomszédainak száma adja (a karbonil-szenet is beleszámítva). Alul a két legegyszerűbb amid: a formamid (H–CO–NH₂) és az acetamid (CH₃–CO–NH₂), mindkettő primer amid.

08

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.

Delokalizált, sík amidcsoport

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).

Amid-rezonancia: a C–N kötés részleges kettőskötése, sík szerkezet (animált)
semleges határszerkezet R C O N H₂ ↔ rezonancia töltésszétvált határszerkezet R C O − N + H₂ A valóság: a kettő „keveréke" részleges C–N kettőskötés · sík · gátolt rotáció
A nitrogén nemkötő párja a karbonil felé delokalizálódik: a két határszerkezet együtt írja le a valós amidot. A C–N kötés ezért részleges kettőskötés, az egész amidcsoport sík, és a C–N körüli forgás gátolt. Ez a fehérjék peptidkötésének is a kulcsa.
🔑
Következmények. A delokalizáció miatt (1) az amidcsoport sík; (2) a C–N kötés rövidebb és erősebb egy egyszeres kötésnél (részleges kettőskötés); (3) a C–N körüli forgás gátolt; (4) az amid nem bázis úgy, mint az amin — a nemkötő pár le van kötve, ezért az amidok gyakorlatilag semleges kémhatásúak (sem savként, sem bázisként nem viselkednek jelentősen).

09

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.

Vízoldhatóság

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.

TulajdonságPrimer / szekunder amidTercier amid
N–H kötésvan (donor)nincs
H-kötés egymás közterős, kiterjedt hálónem alakul ki (nincs donor H)
Op. / fp.magasalacsonyabb
Vízoldhatóság (kis tag)jó (donor + akceptor)jó (csak akceptor, C=O)

10

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!

Az amid hidrolízise: a C–N kötés felszakad
R C O N H₂ itt hasad + H₂O sav / lúg, Δ R–COOH karbonsav (lúgban: karboxilát) + NH₃ / R–NH₂ amin / ammónia (savban: ammóniumion)
A hidrolízis a C–N kötést szakítja fel. A karbonsav-részből savas közegben szabad karbonsav, lúgos közegben karboxilát lesz; a nitrogén-részből savasban ammóniumion, lúgosban szabad amin/ammónia keletkezik.

11

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:

szénsav: O=C(OH)2   →   karbamid: O=C(NH2)2
A karbamid a szénsav diamidja: CO(NH₂)₂
szénsav C O OH OH → –2 OH, +2 NH₂ karbamid (urea) C O NH₂ NH₂ CO(NH₂)₂
A karbamid a szénsav diamidja: a karbonil-szénhez két amincsoport kapcsolódik. Ezért nem sorolható az egyszerű alkánamidok közé — külön, „diamid" szerkezet.
🔑
Vigyázat a névre! A karbamid nem „alkánamid" (nincs benne szénhidrogénlánc a karbonil mellett) — a szénsav diamidja. Ez érettségin gyakori buktató: a képlete CO(NH₂)₂, és a szénsavból, nem valamely karbonsavból származtatjuk.

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.

Nejlon láncszem — ismétlődő amidkötés (kiemelve)
… (CH₂) C O NH (CH₂) C O NH (CH₂) … a vastag zöld = amidkötés (–CO–NH–) ismétlődő amidkötések → nejlon
A nejlon láncát ismétlődő amidkötések (–CO–NH–, vastag zölddel) kapcsolják össze. Kondenzációs polimer: minden amidkötés kialakulásakor egy vízmolekula lép ki.

D) Az aminosavak

12

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!).

α-aminosav

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 általános α-aminosav — a királis centrum jelölve
C α * COOH karboxilcsoport (sav) NH₂ aminocsoport (bázis) R oldallánc H négy különböző csoport → királis centrum (*)
Az α-szénatomhoz négy különböző csoport (–NH₂, –COOH, –H, –R) kapcsolódik, ezért ez általában királis centrum (*): a molekulának két, egymás tükörképét adó (L- és D-) formája van. Kivétel a glicin (R = H), amelynél két azonos H van a α-szénen → akirális.

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:

H2N–CH2–COOH ⇌ +H3N–CH2–COO−   (ikerion, glicin)
A glicin ikerionja: ⁺H₃N–CH₂–COO⁻
N + H₃ CH₂ C O O − ⁺H₃N–CH₂–COO⁻
A glicin (a legegyszerűbb aminosav) ikerionja: a protonált aminocsoport (–NH₃⁺) pozitív, a karboxilátcsoport (–COO⁻) negatív. A molekula kifelé semleges, de erősen poláris — ezért az aminosavak magas op.-ú, vízoldható, kristályos anyagok.
Amfoter jelleg

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.

pH = 6.0
0 (erősen savas)714 (erősen lúgos)

Csoportosítás és esszenciális aminosavak

🎯
Átvezetés a fehérjékhez. Az aminosavak karboxil- és aminocsoportja amidkötéssel (peptidkötéssel) kapcsolódhat össze — épp az a delokalizált, sík amidcsoport, amit a 8. részben láttunk. Sok aminosav peptidkötésekkel láncba fűzve adja a fehérjéket (a következő témakör). A kulcsfogalmak — ikerion, amfoter jelleg, kiralitás (L-forma), esszenciális aminosavak — mind ott folytatódnak.