Deriváty kyseliny uhličité - Ústav organické chemie

Deriváty kyseliny uhličité
František Liška, Ústav organické chemie, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Poslední třídou v oxidačně-redukční hierarchii organických sloučenin jsou deriváty
"anorganické" kyseliny uhličité. Ve všech těchto derivátech se vyskytuje atom uhlíku funkční
skupiny ve stejném oxidačním stupni IV jako v kyselině uhličité. Mateřskými sloučeninami
pro tyto deriváty jsou kyselina orthouhličitá a kyselina uhličitá. Obě tyto kyseliny jsou
hypotetickými látkami, neexistují v čistém stavu. Patří mezi sloučeniny, které nesou na atomu
uhlíku více jak jednu hydroxylovou skupinu; takovéto sloučeniny jsou zpravidla nestálé a
ztrátou molekuly vody přecházejí na stabilnější karbonylové sloučeniny, v daném případě až
na oxid uhličitý.
OH
OH
-H2O
HO C OH
O C
O C O
+ H2O
OH
OH
orthouhličitá kyselina
uhličitá kyselina
Náhradou hydroxylových skupin příslušnými heteroatomy či skupinami atomů lze od
uvedených hypotetických kyselin odvozovat řadu reálně existujících "funkčních" derivátů jak
v řadě orthouhličité, tak i uhličité.
Deriváty kyseliny orthouhličité
Za halogenidy kyseliny orthouhličité lze považovat tetrahalogenmethany CX4, kde
X = F, Cl, Br, I. Nejběžnější z nich je tetrachlormethan∗, používaný převážně jako
rozpouštědlo. Při kysele katalyzované hydrolýze dochází k jeho postupné přeměně až na
chlorovodík a oxid uhličitý.
CCl4
H2O
-HCl
Cl
Cl
C O H
-HCl
Cl
C Cl
O
Cl
H2O
-HCl
Cl
C OH
CO2 + HCl
O
Z tetrachlormethanu lze připravit účinkem bromidu hlinitého při 100 °C
tetrabrommethan,
3 CCl4 + 4 AlBr3
4 AlCl3 + 3 CBr4
který je výchozí látkou pro přípravu esterů kyseliny orthouhličité (orthouhličitanů
alkylnatých, alkyl-orthokarbonátů). Získávají se z něho účinkem alkoholátů alkalických kovů.
∗
Je to etherická kapalina těžší než voda, ve vodě nerozpustná, vroucí při 76,7°C. Užíval se jako výborné
rozpouštědlo tuků, olejů a mnohých organických látek. Po zjištění jeho nepříznivých účinků na játra, slezinu,
ledviny i na plíce je nahrazován jinými vhodnějšími rozpouštědly.
1
Br
Br
+
C
Br
Br
CH3CH2O
4 C2H5ONa
C
+
4 NaBr
OCH2CH3
CH3CH2O
tetrabrommethan
OCH2CH3
ethyl-orthokarbonát
Orthouhličitany jsou kapaliny příjemné vůně, které se ve svých reakcích chovají jako
orthoestery karboxylových kyselin. Převádějí například aldehydy a ketony na příslušné
acetaly (ketaly) a samy se při tom mění na estery kyseliny uhličité.
CH3
O
CH3
+
acetofenon
C(OCH2CH3)4
OCH2CH3
OCH2CH3
+ CH CH
3
2
H+
ethyl-orthokarbonát
acetofenon-diethylacetal
O
O C O CH2CH3
diethyl-karbonát
Deriváty kyseliny uhličité
Kyselina uhličitá vzniká hydratací oxidu uhličitého
O
O C O
+
HO C OH
H2O
Disociací do prvního stupně poskytuje hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) anion,
O
O
H O C O H
H+
K1 = 1,5 . 10-4
pK1 = 3,8
+ HO C
O
hydrogenuhličitanový anion
disociací do druhého stupně vzniká anion uhličitanový.
O
O
H+
HO C
+
K2 = 5,6 . 10-11
pK2 = 10,2
O C
O
O
uhličitanový anion
Proto známe dvě řady solí - hydrogenuhličitany (bikarbonáty) a uhličitany např.
alkalických kovů a žíravých zemin.
NaHCO3
CaCO3
kyselý uhličitan sodný
natrium-hydrogen-karbonát
(natrium bikarbonát)
uhličitan vápenatý
kalcium-karbonát
V učebnicích anorganické chemie a biochemie se však vyskytuje další, tzv.
pozorovaná (observed) konstanta Kobs = 4,45 . 10–7 (pKobs = 6,35), která je nejčastěji uváděna
jako pK1 méně často jako pK2. Na základě této hodnoty by měla být kyselina uhličitá slabší
kyselinou nežli kyselina octová (Ka = 1,8 . 10-5, pKa = 4,7). Tomu by odpovídala i ta
skutečnost, že je "slabší" kyselina uhličitá uvolňována z vodných roztoků hydrogenuhličitanů
"silnějšími" karboxylovými kyselinami. Tato reakce slouží dokonce jako kvalitativní test na
přítomnost karboxylové skupiny.
2
Jaká je příčina této zdánlivé nesrovnalosti?
Hodnota Kobs = 4,45 . 10–7 (pKobs = 6,35) se získává měřením pH vodných roztoků
známého množství oxidu uhličitého ve vodě.
CO2 (aq) + H2O
H2CO3
H+ + HCO3-
Je tedy vyjádřena vztahem
Kobs =
[H+] . [HCO3-]
[CO2 aq]
= 4,35 . 10-7 ;
pKobs = 6,35
Maximální rozpustnost oxidu uhličitého ve vodě je cca 0,034 M a stupeň hydratace oxidu
uhličitého vyjadřuje Khydr.
CO2 + H2O
H2CO3
[H2CO3]
Khydr =
[CO2aq]
Khydr = 2,8 . 10-3
= 2,8 . 10-3
Dosadíme-li do vztahu pro disociační konstantu kyseliny uhličité do 1. stupně K1 hodnoty
z předcházejících vztahů získáme "pravou" hodnotu K1 = 1,55 . 10-4, pK1 = 3,81.
K1 =
[H+] . [HCO3-]
[H2CO3]
=
4,35 . 10-7 . [CO2aq]
2,8 . 10-3 . [CO2aq]
=
1,55 . 10-4
Kyselina uhličitá je tedy silnější kyselinou nežli kyselina octová. Skutečnost, že je
uvolňována z roztoků hydrogenuhličitanů karboxylovými kyselinami je dána její rozpustností
ve vodě. Jakmile její koncentrace ve vodě dosáhne maxima (tj. [H2CO3] = 2,8 . 10-3 . [CO2] =
2,8 . 10-3 . 0,034 = 9,52 . 10-5 M), začne se z roztoku uvolňovat oxid uhličitý.
CH3 COO -
CH3 COOH + HOCO2-
+ (H2CO3
H2O + CO2 )
Z disociační konstanty do druhého stupně pK2 = 10,2 plyne, že bikarbonátový anion je
slabší kyselinou nežli karboxylové kyseliny, avšak silnější kyselinou nežli voda a alkoholy.
Kyselinu uhličitou můžeme tedy považovat za nejjednodušší dikarboxylovou kyselinu.
Náhradou jedné hydroxylové skupiny jinými heteroatomy nebo skupinou atomů se dospěje
k monofunkčním derivátům kyseliny uhličité jakými jsou například: monochlorid kyseliny
uhličité, kyselina chlormravenčí,
O
HO C Cl
O C O
+
HCl
chlormravenčí kyselina
kyselý ester kyseliny uhličité, alkyl-hydrogen-karbonát
3
O
HO C OCH2CH3
+
O C O
CH3CH2OH
ethyl-hydrogen-karbonát
a monoamid kyseliny uhličité, karbamová kyselina.
O
O C O
HO C NH2
+
NH3
karbamová kyselina
Jsou to rovněž hypotetické sloučeniny a nelze je, stejně jako kyselinu uhličitou,
isolovat. V případech jejich vzniku se rozkládají na oxid uhličitý a chlorovodík nebo ethanol
(alkohol) nebo amoniak (amin).
V případě alkyl- nebo aryl-hydrogen-karbonátů (nebo také alkyl- nebo aryl-uhličitých
kyselin) jsou však stálé jejich soli, které vznikají působením oxidu uhličitého na alkoholáty
nebo fenoláty.
CH3 CH3
CH3 O
+
+
CH3 CH3
O C O
CH3 O C O
K
O
kalium-terc-butyl-karbonát
terc-butoxid draselný
+
O Na
+
K
+
O C O
O C O
+
Na
O
fenolát sodný
natrium-fenyl-karbonát
(fenyluhličitan sodný)
Teprve náhradou obou hydroxylových skupin v molekule kyseliny uhličité se získávají
stálé funkční deriváty. Celkový přehled hypotetických (uvedeny v závorce) i reálně
existujících derivátů kyseliny uhličité uvádí tabulka.
HO C OH
H 2N
uhličitá kyselina
C OH
karbamová kyselina
O
O
Cl
C OH
chlormravenčí kyselina
O
Cl C Cl
O
Cl C OC2H5
O
dichlorid kyseliny uhličité
chlorid kyseliny chlormravenčí
chlorid karbonylu
fosgen
ethylester-chlorid kyseliny
uhličité
ethyl-chlorformiát
chlormravenčan ethylnatý
3
2
H2N C OH
1
isomočovina
amid-imid kyseliny uhličité
NH
H2N C NH2
thiomočovina
S
4
O
NH
4
amid-nitril kyseliny uhličité
nitril kyseliny karbamové
kyanamid
Cl C N
chlorid-nitril kyseliny uhličité
chlorkyan
diamid kyseliny uhličité
amid kyseliny karbamové
močovina
H2N C NH2
O
5
4
3
2
1
H2N C NH C NH2
O
O
2
1
O
3
biuret
imid kyseliny karbamové
N-karbamoylmočovina
1
H2N C NH2
2
amid-ethylester kyseliny uhličité
ethyl-karbamát
urethan
O
3
H2N C NH NH2
H 2N C N
H2N C OC2H5
isothiomočovina
H2N C SH
amid-chlorid kyseliny uhličité
chlorid kyseliny karbamové
karbamoylchlorid
H2N C Cl
amid-hydrazid kyseliny
uhličité
hydrazid kyseliny karbamové
semikarbazid
diamid-imid kyseliny uhličité
guanidin
NH
HN C NH
diimid kyseliny uhličité
karbodiimid
HO-C≡N
kyselina kyanatá
HN=C=O
kyselina isokyanatá
HS-C≡N
kyselina thiokyanatá
HN=C=S
kyselina isothiokyanatá
Nejdostupnějším derivátem kyseliny uhličité je fosgen, který je dichloridem kyseliny
uhličité nebo chloridem kyseliny chlormravenčí. Vzniká při reakci oxidu uhelnatého
s chlorem za iniciace ultrafialovým zářením, při průmyslové výrobě se jako katalyzátor
používá aktivní uhlí.
C O
+ Cl2
Cl
hν nebo aktivní uhlí
O C
Cl
Je to plyn o bodu varu 8 °C, nasládlého zápachu, který je 10x toxičtější nežli samotný
chlor. V 1. světové válce byl použit jako bojová chemická látka. Jeho toxicita je důsledkem
snadné hydrolýzy fosgenu, k níž dochází v plicích a při níž se uvolňuje chlorovodík.
Cl
C Cl
-HCl
+ H2 O
O
Cl
CO2 + HCl
C OH
O
Podobně jako chloridy alkanových kyselin lze nukleofilní acylovou substitucí (SNAc)
převádět na další funkční deriváty (anhydridy, estery, amidy),
O
O
+
R C
Cl
H-Z
+ HCl
R C
Z
Z = OCOR, OCH2CH3, NH2
5
tak i fosgen lze přeměňovat stejným typem reakce na řadu funkčních derivátů s tím, že pro
substituci je možno využít obou atomů chloru. Protože se reaktivita druhého atomu chloru po
substituci prvního atomu sníží, probíhají tyto reakce se značnou chemoselektivitou a
umožňují připravovat různé funkční deriváty hypotetických kyselin jako například
chlormravenčí, karbamové a uhličité.
S ethanolem (alkoholy) reaguje fosgen za chladu a poskytuje odpovídající ethyl-chlorformiát,
chlad
COCl2 + CH3CH2OH
fosgen
ethanol
Cl
+ HCl
C OCH2CH3
O
ethyl-chlorformiát
který za vyšší teploty a v přebytku ethanolu přechází na diethyl-karbonát.
Cl
+ CH3CH2OH
O C
zahřívání
OCH2CH3
O C
+ HCl
OCH2CH3
OCH2CH3
ethyl-chlorformiát
diethyl-karbonát
„Smíšené“ dialkyl- resp. alkyl-aryl-karbonáty se připravují z odpovídajících
chlorformiátů a alkoholátů.
Cl
ONa
+
O C OC2H5
O C
OC2H5
fenolát sodný
+ HCl
O
ethyl-fenyl-karbonát
Reakcí ethyl-chlorformiátu s amoniakem vzniká ethyl-karbamát. Tento ester-amid
kyseliny uhličité či ester kyseliny karbamové nese triviální název urethan, od něhož se pro
estery kyseliny karbamové odvozuje skupinový název urethany.
Cl
NH2
+ NH3
O C
OC2H5
+
O C
NH4Cl
OC2H5
ethyl-chlorformiát
ethyl-karbamát
(urethan)
Snad největší význam mají terc-butyl a benzylestery kyseliny chlormravenčí, které se
využívají v organické syntéze k chránění hydroxylových skupin a aminoskupin.
CH2 OH
+
Cl
C Cl
O
benzylalkohol
CH3
terc-butylalkohol
+ HCl
O
benzyl-chlorformiát
(benzyloxykarbonylchlorid)
CH3
CH3
CH3 C OH
CH2 O C Cl
+
Cl
C Cl
O
CH3 C O C Cl
CH3
+ HCl
O
terc-butyl-chlorformiát
(terc-butyloxykarbonylchlorid)
6
Terc-butyloxykarbonylchlorid lze převést reakcí s natrium-terc-butylkarbonátem na
stálejší a pro práci výhodnější „anhydrid terc-butyluhličité kyseliny“ – di-terc-butyl-dikarbonát.
CH3
CH3
+
CH3
CH3 C O C Cl + Na O C O C CH3
CH3
O
O
CH3
CH3 C O C O C O C CH3 + NaCl
CH3
CH3
O
O
CH3
diterc-butyl-dikarbonát
Princip jejich chránícího účinku spočívá v tom, že se snadno do molekuly substrátu
zavádějí a po proběhnutí reakcí se z produktu snadno odstraňují, přičemž původní skupina
zůstává zachována.
Při aplikaci benzyloxykarbonylchloridu pro chránění hydroxylové skupiny vzniká
nejdříve příslušný R-benzyl-karbonát, který po proběhnuté reakci přechází na R´-benzylkarbonát, z něhož se hydrogenolýzou odstraní benzylová skupina ve formě toluenu a vzniklý
R´-hydrogen-karbonát se samovolně rozpadá na produkt R´-OH a oxid uhličitý.
R OH +
CH2 O C
Cl
O
benzyloxykarbonylchlorid
substrát
reakce
R O C O CH2
-HCl
O
R-benzyl-karbonát
H2 /Pd
R ´ O C O CH2
-
O
CH3
R´-benzyl-karbonát
R´ O C O H
O
R´-hydrogen-karbonát
R´ OH
produkt
+
CO2
Na příkladu aplikace di-terc-butyl-dikarbonátu k chránění aminoskupiny vzniká při
reakci s aminem (RNH2) nejprve příslušný terc-butyl-N-R-karbamát, který přechází reakcí na
terc-butyl-N-R´-karbamát, z něhož se kysele katalyzovanou hydrolýzou získá isobutylen a NR´-karbamová kyselina, která se rozpadá na příslušnou amoniovou sůl a na oxid uhličitý.
Účinkem báze se ze soli uvolní volný amin.
R NH2 +
O C O C
O
O
+
+
R NH C O
O
terc-butyl-N-R-karbamát
O C OH
OH +
CO2
O
7
reakce
R NH C O
CH2 H
´
R NH C O C CH3
O
O
HBr nebo CF3COOH
CH3
terc-butyl-N-R´-karbamát
H
CH2 H
+
Br
R ´ NH C O C CH3
H O
R´ NH C O
CH3
+
+
R´ NH C O
H
-CO2
OH
+
+ HBr
OH
+
R´ NH3
HO
R´ NH2
-H2O
Fosgen reaguje s amoniakem za vzniku močoviny, kterou lze považovat za diamid
kyseliny uhličité, případně za amid kyseliny karbamové.
O
Cl
CO Cl
+
4 NH3
NH2 C NH2
močovina
+
2 NH4Cl
Analogicky reagují také primární a sekundární aminy a poskytují symetricky
alkylované močoviny.
O
Cl
CO Cl + 4 CH3CH2NH2
CH3CH2 NH
+ C NH CH2CH3 + 2 CH3CH2NH3 Cl
N,N´-diethylmočovina
1,3-diethylmočovina
O
Cl
CO Cl
(CH3)2N
+ 4 CH3NHCH3
dimethylamin
C
+
N(CH3)2 + 2 (CH3)2NH2Cl
-
N,N,N´,N´-tetramethylmočovina
Při těchto reakcích se nedaří zachytit přechodně vznikající karbamoylchlorid (amidchlorid kyseliny uhličité, chlorid kyseliny karbamové). Ten vzniká při reakci chloridu
amonného s fosgenem při 400°C.
NH4Cl +
Cl
COCl
400°C
H2N C Cl
+ 2 HCl
O
karbamoylchlorid
Z hydrochloridů odpovídajících aminů se podobně získávají chloridy kyseliny
karbamové substituované na dusíku.
8
O
CH3CH2
+
NH3Cl
-
+
Cl
+ 2 HCl
CH3CH2 NH C Cl
COCl
ethylamonium-chlorid
N-ethylkarbamoylchlorid
O
+
-
NH3Cl + COCl2
NH C
anilinium-chlorid
Cl
+ 2 HCl
N-fenylkarbamoylchlorid
Karbamoylchloridy jeví všechny vlastnosti chloridů kyselin a podléhají podobným
přeměnám: hydrolýzou poskytují hydrochlorid odpovídajícího aminu a oxid uhličitý, reakcí
s alkoholy vytvářejí urethany (karbamáty) a reakcí s aminy lze připravit nesymetricky
substituované močoviny.
NH C OCH2CH3
O
CH3CH2OH
H2 O
NH C Cl
-HCl
HCl +
NH C OH
O
O
ethyl-N-fenylkarbamát
2(CH3)2NH
+
+
-(CH3)2NH2Cl
3
2
1
-
NH3Cl + CO2
-
CH3
NH C N
CH3
O
3-fenyl-1,1-dimethylmočovina
K močovině resp. k jejím alkylderivátům vedou rovněž reakce zmíněných alkyl-chlorformiátů, dialkyl-karbonátů či alkyl-karbamátů.
O
Cl
C O CH2CH3
3NH3
CH3CH2 O C O CH2CH3
O
2NH3
-2CH3CH2OH
-NH4Cl
-C2H5OH
H2N C NH2
O
NH3
-CH3CH2OH
H2N C O CH2CH3
O
Při všech předcházejících reakcích fosgenu, ethyl-chlorformiátu a diethyl-karbonátu se
vždy tvořily a zanikaly vazby uhlík heteroatom. Obecně jsou v organické syntéze více ceněny
reakce, při nichž se tvoří vazby uhlík-uhlík. Také deriváty kyseliny uhličité mohou takovýmto
reakcím podléhat. Reakcí fosgenu s aromatickými uhlovodíky za podmínek FriedelovyCraftsovy reakce vznikají nejdříve chloridy arenkarboxylových kyselin, které v nadbytku
aromatického uhlovodíku přecházejí až na ketony.
9
H + Cl CO Cl
benzen
AlCl3
C
-HCl
Cl
O
benzoylchlorid
fosgen
C
-HCl
O
benzofenon
Při reakci fosgenu, alkyl-chlorformiátů, dialkylkarbonátů ale i samotného oxidu
uhličitého s Grignardovými činidly dochází k postupné redukci atomu uhlíku a konečnými
produkty v přebytku organokovového činidla jsou terciální alkoholy.
1. Cl-CO-Cl
2. H3O+
1. Cl-COOC2H5
MgBr
2. H3O+
3
+
1. CO(OC2H5)2
C
2. H3O+
OH
1. O=C=O
2.
Mg2+ +
Br
-
trifenylmethanol
H3O+
Diethyl-karbonát reaguje s enoláty ketonů při Claisenově kondenzaci a poskytuje
β−oxoestery.
OC2H5
O
O
-
C2H5O
-
-C2H5OH
O C
O
OC2H5
-C2H5O
OC2H5
O
ethyl-2-oxocyklohexankarboxylát
cyklohexanon
Močovina je nejrozšířenějším derivátem kyseliny uhličité. Je konečným produktem
metabolických přeměn probíhajících v tělech savců. Byla isolována už v roce 1773 z moče a
její struktura byla určena v roce 1799. V současné době se vyrábí z oxidu uhličitého
s trojnásobným množstvím amoniaku při 150 °C a tlaku 3,55 MPa. Při reakci se nejdříve
aduje amoniak na oxid uhličitý za vzniku kyseliny karbamové, která reakcí s amoniakem
přechází na amonium-karbamát, z něhož se při 150 °C odštěpí voda za vzniku močoviny.
NH2
O=C=O + NH3
O C
O H
karbamová kyselina
NH3
NH2
NH2
O C
O C
O
NH4
+
NH2
amonium-karbamát
močovina
+ H2O
Přebytek amoniaku potlačuje průběh vedlejší reakce, hydrolýzy karbamátu na
uhličitan amonný.
NH2
+ H 2O
O C
-
(NH4)2CO3
2 NH3 + CO2
+
O NH4
10
Močovina se používá jako dusíkaté hnojivo, jako složka pro výrobu
formaldehydových pryskyřic, je přísadou do krmiva pro dobytek coby zdroj dusíku a je také
meziproduktem pro výrobu léčiv. Močovina je bezbarvá krystalická látka o bodu tání 134 °C,
je bez zápachu, velmi dobře rozpustná ve vodě, velmi málo rozpustná v etheru. S organickými
sloučeninami, které mají lineární řetězec s více jak čtyřmi atomy uhlíku (alkany, alkoholy,
alkylhalogenidy, ketony, kyseliny, estery) tvoří močovina inkluzní sloučeniny, které se
vylučují ve formě krystalů z nasycených methanolických roztoků močoviny a organické
sloučeniny. Po jejich odsátí se organická složka získá extrakcí etherem nebo extrakcí vodou
se oddělí močovina. Protože s rozvětvenými a s cyklickými sloučeninami takovéto inkluzní
sloučeniny nevznikají, využívá se tento proces k separaci lineárních od rozvětvených či
cyklických sloučenin a lze jej použít ke zvýšení oktanového čísla benzinu nebo ke snížení
bodu tuhnutí paliva pro tryskové motory.
Močovina poskytuje reakce charakteristické pro reakce amidů kyselin. Hydrolýzou
přechází na uhličitan amonný. V alkalickém prostředí vzniká uhličitan a amoniak, v kyselém
zase oxid uhličitý a amoniová sůl.
HO CO OH
H2N CO NH2 + 2 H2O
(NH4)2CO3
+ 2 NH3
Močovina je poněkud silnější bazí (pKb=13,8) ve srovnání s acetamidem (pKb=14,5),
ale podstatně slabší bazí ve srovnání s aminy, např. s ethylaminem (pKb=3,2) či s anilinem
(pKb=9,42). K basicitě močoviny přispívá resonanční stabilizace uroniového iontu. S jedním
ekvivalentem kyseliny vytváří dobře krystalizující soli. Nejznámější z nich je dusičnan
močoviny. Pro jeho malou rozpustnost ve vodě je vhodný k isolaci močoviny z přirozeného
materiálu.
Účinkem kyseliny sírové na dusičnan močoviny nebo účinkem nitrační směsi (HNO3 a
H2SO4) na močovinu proběhne elektrofilní substituce na atomu dusíku za vzniku
nitromočoviny. Nitromočovina podléhá redukci zinkem v kyselině chlorovodíkové a přechází
na semikarbazid.
H2N
C O
HNO3
H2N
+
H2N
+
C O H
C OH
H2N
H2N
H2N
C OH
NO3-
H2N+
H2N
dusičnan močoviny
uronium-nitrát
H2SO4
-H2O
H2N C NH NO2
O
nitromočovina
Zn/HCl
H2N C NH NH2
O
semikarbazid
(amid-hydrazid kyseliny uhličité)
Semikarbazid je amidem-hydrazidem kyseliny uhličité nebo hydrazidem kyseliny
karbamové. Dříve se využíval jako identifikační činidlo pro aldehydy a ketony, s nimiž tvoří
obtížně rozpustné a dobře krystalizující semikarbazony.
CH3
C O
CH3
aceton
+ H2N NH CO NH2
semikarbazid
CH3
C N NH C NH2
CH3
O
aceton-semikarbazon
11
Při reakci močoviny s kyselinou dusitou dochází rovněž k elektrofilní substituci na
atomech dusíku, rozpadem vzniklých isonitrosoderivátů poté vzniká voda, oxid uhličitý a
dusík. Je to postup využívaný k rozkladu přebytečné kyseliny dusité (např. při diazotacích)
nebo oxidů dusíku.
HONO
H2N CO NH2
-2 H2O
O N HN C NH N O
HO N
N C N
O
N OH
O
2 N N + H2O + CO2
Močovina podléhá jako amid také Hofmannově odbourávání, při němž vzniklý
hydrazin je oxidován přítomným bromnanem na dusík. Tato metoda byla propracována
ruským chemikem a hudebním skladatelem Borodinem k volumetrickému kvantitativnímu
stanovení močoviny v moči.
H2N CO NH2 + NaOBr + 2 NaOH
H2N NH2 + Na2CO3 + NaBr + H2O
hydrazin
H2N NH2 + 2 NaOBr
N2 + 2 H2O + 2 NaBr
K methylaci močoviny dochází už varem vodných roztoků hydrochloridů příslušných
aminů s močovinou.
H2N CO NH2 + CH3 NH3Cl
močovina
NH4Cl +
H2N C NH CH3
O
methylmočovina
methylamonium-chlorid
Při přímé alkylaci močoviny vznikají O-alkylderiváty tautomerní formy močoviny,
alkylisomočoviny.
H2N
C O
+
CH3 O SO2 O CH3
H N
H
močovina
NaOH
H2N
C O CH3 + CH3 O SO2ONa + H2O
HN
dimethyl-sulfát
O-methylmočovina natrium-methyl-sulfát
Amidy mohou být acylovány na diacylaminy, označované jako imidy. Také močovina
podléhá diacylaci a vzniklé deriváty se nazývají ureidy.
O
CH3 C
H2N CO NH2
O
+ 2
CH3 C
O
O
H3C C
O
C CH3
+ 2 CH3COOH
NH C NH
O
1,3-diacetylmočovina
Mezi ureidy lze zařadit také kyselinu barbiturovou a její deriváty známé pod názvem
barbituráty, které se používají jako léčiva. Připravují se kondenzací diethyl-malonátů
s močovinou.
12
O
R´
C
O
+
COC2H5
R
R´
H 2N
COC2H5
C O
H 2N
O
diethyl-malonáty
-2 C2H5OH
močovina
NH
C
O
R
NH
O
R=R´=H kyselina barbiturová
R=R´=C2H5 Barbital, Veronal
R=C2H5, R´=C6H5 Luminal, Fenobarbital
Kyselý charakter atomů vodíku se projevuje i při adiční reakci močoviny
s formaldehydem (methanalem). Prvními produkty reakce jsou tzn. methylolmočoviny.
NH2
+
O C
CH2 O
H2N C NH CH2 OH + HOCH2 NH C NH CH2 OH
NH2
O
O
methylolmočovina
dimethylolmočovina
N-(hydroxymethyl)močovina N,N´-bis(hydroxymethyl)močovina
Hydroxymethylová skupina vázaná na atom dusíku snadno reaguje s dalšími
molekulami močoviny tak vznikají polymery s konstituční jednotkou –NH–CO–NH–CH2–.
H2N C NH CH2 OH + x H2N C NH2
-H2O
H
NH C NH CH2
O
O
O
NH C NH2
x
O
Volné NH skupiny v těchto jednotkách mohou reagovat s formaldehydem a vytvářet
další N-hydroxymethylové skupiny, které reagují s NH skupinami v dalších řetězcích za ztráty
vody. Dochází tak k propojování jednotlivých polymerních řetězců skupinami CH2 a ke
vzniku trojrozměrných makromolekul, které jsou ve formě nerozpustné a netavitelné
pryskyřice známé pod názvem močovino-formaldehydové pryskyřice. Vlastní
polykondenzace se provádí reakcí formaldehydu (3 mol) s močovinou (1 mol) ve vodném
roztoku v přítomnosti amoniaku jako alkalického katalyzátoru.
NH C NH CH2
x
O
+ x CH2 O
NH C N CH2
O CH2OH x
NH C N CH2
NH C N CH2
O CH2OH x
x H2O +
NH C NH CH2
O
O CH2
N
x
C NH CH2
O
x
Při zahřívání močoviny vznikají různé produkty v závislosti na teplotě. Zahříváním
nad její bod tání se tvoří amoniak a kyselina isokyanatá, která ihned polymeruje na směs
cyklického trimeru - kyseliny kyanurové (1,3,5-triazin-2,4,6-triolu) a lineárního polymeru
kyamelidu, které jsou zastoupeny v poměru 7:3.
13
H N C O + NH3
H2N C NH2
isokyanatá kyselina
O
O
OH
HN
H N C O
NH
O
N
O
N
H
HO
H O
N
+
N C
n
OH
N
kyanurová kyselina
kyamelid
Tepelným rozkladem kyseliny kyanurové se získá zpět kyselina isokyanatá, která při
0°C zkondenzuje na bezbarvou kapalinu štiplavého zápachu vyvolávající na pokožce puchýře
podobně jako kyselina fluorovodíková. Po ohřátí na laboratorní teplotu spontánně až
explosivně polymeruje opět na kyselinu kyanurovou a kyamelid.
Adicí vody přechází isokyanatá kyselina na oxid uhličitý a vodu. Reakcí s alkoholy
poskytuje alkyl-karbamáty (urethany), s amoniakem vytváří močovinu a s aminy zase Nalkyl- nebo N-aryl-močoviny.
OH
H N C O + H2O
CO2 + NH3
H2N C OH
HN C
OH
O
OH
O
HN C
H N C O + CH3CH2OH
H2N C
OCH2CH3
OCH2CH3
ethyl-karbamát
OH
H N C O +
H2N C NH R
HN C
R NH2
NHR
O
R=H, alkyl, aryl
Poslední zmíněná reakce je patrně i příčinou historické přeměny "anorganického"
kyanatanu amonného na "organickou" močovinu uskutečněné Wöhlerem v roce 1828.
NH4NCO
amonium-kyanát
NH3 +
H N C O
H2N C NH2
isokyanatá kyselina
O
močovina
Mírným záhřevem močoviny vzniká rovněž amoniak a kyselina isokyanatá, na kterou
se však aduje přítomná močovina za vzniku biuretu.
H2N C NH2
O
- NH3
H N C O
H2NCONH2
H2N C
NH
C NH2
O
O
biuret
Alkalické vodné roztoky biuretu se v přítomnosti měďnatých solí barví fialově až
oranžově. Biuret se projevuje jako bidonorový (bidentátní), koncovými aminoskupinami
nahradí v koordinační sféře měďnatého iontu "monodentátní" vodu. V alkalickém prostředí
dochází k deprotonaci na dvou koordinovaných aminoskupinách za vzniku nerozpustného
14
komplexu, který se v přebytku hydroxidu další deprotonací na zbývajících aminoskupinách
mění na komplexní sůl rozpustnou ve vodě.
H2N CO
NH
2
H2N CO
2+
OH2
..
..
H2O .. Cu .. OH2
SO42-
-4 H2O
OH2
-NaSO4, -2 H2O
HN
O
O
2 NaOH
O
H2
N
H
N
HN
Cu
H2 H2
N.. ..N
Cu
.. ..
N
H2
O
NH
N
N
H
H2
O
O
nerozpustný komplex
N
H2
-2 H2O
2+
NH
SO42-
O
O
2 NaOH
O
HN
O
H
N
H
N
NH
Cu
N
H
O
2-
2 Na+
N
H
O
rozpustný komplex
Kyselina isokyanatá je tautomerní s kyselinou kyanatou. V rovnovážné směsi převládá
podle spektrálních měření kyselina isokyanatá, která také, jak je patné z uvedených příkladů,
vstupuje do většiny reakcí.
H N C O
isokyanatá kyselina
H O C N
kyanatá kyselina
Odpovídající alkalické soli obou kyselin se však uvádějí jenom pod názvem kyanáty
(kyanatany) s vědomím, že existuje mesomerie kyanatanového aniontu.
(-)
K(+)
(-)
O C N
O C N
Připravují se oxidací alkalických kyanidů účinkem dichromanu draselného nebo ve
vodném roztoku manganistanem draselným; tento postup lze využít i k likvidaci jedovatého
kyanidu draselného (cyankali).
3 KCN + 2 KMnO4 + H2O
3 KOCN + 2 MnO2 + 2 KOH
Volnou kyselinu kyanatou (isokyanatou) nelze uvolnit vytěsňováním z jejích solí,
protože se ihned rozkládá v oxid uhličitý a vodu.
K[OCN] + 2 HCl + H2O = KCl + NH4Cl + CO2
Halogenkyany lze považovat za halogenidy kyseliny kyanaté nebo za halogenidy-nitrily kyseliny uhličité. Vznikají reakcí odpovídajících halogenů s kyanidy kovů. Jsou to
vysoce toxické zpuchýřující látky, které snadno podléhají trimerizaci za vzniku halogenidů
kyanurové kyseliny.
15
Hg(CN)2
I2, - HgI2
KCN + Cl2
X C N
- KCl
Cl
3 Cl
Cl
N
C N
N
NaCN + Br2
-NaBr
N
Cl
chlorid kyseliny kyanurové
kyanurchlorid
2,4,6-trichlor-1,3,5-triazin
Bromkyan se využívá v syntéze k odbourávání terciárních aminů na aminy
sekundární.
CH3
CH3
CH3 N
CH3
C N
trimethylamin bromkyan
H2O, HCl
- NH4Cl
CH3
+
CH3 N C N
+ Br
Br
CH3
- CH3Br
kyantrimethylamonium-bromid
CH3
O
HCl
N C
CH3
OH
N,N-dimethylkarbamová kyselina
N C N
CH3
N,N-dimethylkyanamid
CH3 NH CH3
. HCl
+ CO2
dimethylamin hydrochlorid
Při reakci přechodně vzniká kvarterní amoniová sůl, která na alkylové skupině podléhá
nukleofilní substituci bromidovým iontem za eliminace alkylbromidu a vzniku nitrilu N,N-dialkylkarbamové kyseliny (N,N-dialkylkyanamidu). Ten pak hydrolýzou přechází na
nestálou N,N-dialkylkarbamovou kyselinu, jež se rozkládá na dialkylamin a oxid uhličitý.
Každá z tautomerních forem kyseliny kyanaté vytváří odpovídající řadu esterů alkylči aryl-isokyanáty R–N=C=O, Ar–N=C=O a alkyl- či aryl-kyanáty R–O–C≡N, Ar–O–C≡N.
Alkyl-isokyanáty vznikají reakcí alkalických kyanatanů na atomu dusíku
kyanatanového iontu účinkem alkylačních činidel (alkylhalogenidů, dialkylsulfátů).
K(+)
O C N
O C N
kyanatan amonný
+
CH2 O SO2 OCH2CH3
CH3
diethyl-sulfát
CH3CH2 N C O + CH3CH2 O SO2 O
ethyl-isokyanát
K
+
kalium-ethyl-sulfát
Obecná metoda přípravy alkyl- i aryl-isokyanátů spočívá v tepelném rozkladu
odpovídajících N-alkyl- či N-arylkarbamoylchloridů.
16
O
NH C
+ HCl
N C O
Cl
fenyl-isokyanát
fenyl-karbamoylchlorid
Estery kyseliny kyanaté se připravují reakcí hydroxyderivátů s bromkyanem
v přítomnosti terciárního aminu. Alkyl-kyanáty jsou nestálé ihned přesmykují na alkylisokyanáty. Podstatně stálejší jsou však aryl-kyanáty, které lze dokonce destilovat za
sníženého tlaku, jak je patrné z přípravy fenyl-kyanátu, který však dlouhodobým stáním
OH
+ BrCN
fenol
(C2H5)3N /
pentan, ether
C6H5O
O C N
N
-(C2H5)3NHBr
bromkyan
OC6H5
N
N
OC6H5
fenyl-kyanát
podléhá trimerizaci na trifenylester kyseliny kyanurové.
Konstitučním isomerem kyanatých kyselin je kyselina fulminová (třaskavá). Nelze ji
+
+
H C N O
C N OH
C N OH
však považovat za derivát kyseliny uhličité, protože atom uhlíku se nachází v oxidačním
stupni kyseliny mravenčí (II). Lze ji však považovat za nitril-oxid kyseliny mravenčí nebo
jeho tautomerní formu za oxim oxidu uhelnatého. Vlastní kyselina je velice nestálá, relativně
stálé jsou její soli zvané fulmináty používané jako třaskaviny. Merkurium-fulminát (lat.
fulmen = blesk) vzniká sledem reakcí ethanolu se rtutí v přítomnosti kyseliny dusičné.
Kysele katalyzovanou hydrolýzou přechází kyselina třaskavá na kyselinu mravenčí a
hydrochlorid hydroxylaminu.
HO N C
H2O/HCl
H
H O N C
H
HONH2 . HCl +
O C
OH
OH
Podobně jako amidy kyselin přecházejí při dehydrataci na odpovídající nitrily, tak i
močovina poskytuje např. účinkem thionylchloridu látku zvanou kyanamid, který lze
považovat za nitril-amid kyseliny uhličité nebo za nitril kyseliny karbamové. Lze jej připravit
i z chlorkyanu účinkem amoniaku.
H2N C NH2
O
močovina
SOCl2
-SO2, -HCl
H2N C N
2 NH3
-NH2Cl
Cl
C N
kyanamid
Nestálou, prakticky neexistující tautomerní formou kyanamidu je karbodiimid, jehož
struktura je obsažena v příslušných, stálých dialkyl- resp. diarylderivátech.
H 2N C N
HN C NH
kyanamid
karbodiimid
17
Snad nejdůležitějším derivátem kyanamidu je jeho vápenatá sůl - kalcium-kyanamid,
který se vyrábí proháněním dusíku karbidem vápníku při 1100°C. Aby docházelo k absorbci
dusíku, musí být v karbidu přítomno 10% oxidu vápenatého. Proces spočívá na redukci
dusíku karbidem a je příkladem fixace atmosférického dusíku.
2+
Ca
2-
C C
+
Ca
N N
karbid vápníku
2+
2-
+ C
N C N
kalcium-kyanamid
Kalcium-kyanamid se používá jako dusíkaté hnojivo ("vápnodusík") a byl prvním
průmyslovým procesem pro výrobu močoviny. Hydrolýzou uvolňuje kyanamid, který další
adicí vody poskytuje močovinu.
Ca
N C N
+ 2 H2O
-Ca(OH)2
kalcium-kyanamid
H2N C N
H2O
H2N C NH2
O
močovina
kyanamid
V syntéze sekundárních aminů má význam natrium-kyanamid, který se získá redukcí
vodíku v natrium-amidu uhlíkem.
2 NaNH2 + C
natrium-amid
Na2
N C N
+ 2 H2
natrium-kyanamid
Natrium-kyanamid lze alkylovat alkylhalogenidy na odpovídající N,N-dialkylkyanamidy,
které hydrolýzou a dekarboxylací vzniklé N,N-dialkylkarbamové kyseliny poskytnou
sekundární amin.
Na2 NCN
natrium-kyanamid
2 CH3CH2Br
-2 NaBr
(CH3CH2)2N C N
H2O
- NH3
N,N-diethylkyanamid
CH3CH2 NH CH2CH3 + CO2
(CH3CH2)2N COOH
N,N-diethylkarbamová kyselina
diethylamin
Kyanamid je relativně stabilní ve vodných roztocích při pH<5. Při pH 7-12 snadno
reaguje adičně s druhou molekulou za vzniku dikyandiamidu, kyanguanidinu, z něhož lze
účinkem bezvodého amoniaku v methanolickém roztoku připravit cyklický trimer kyanamidu
- melamin , který lze považovat za amid kyanurové kyseliny.
NH2
H 2N C N
+
H 2N C N
NH
kyanamid
N
H2N C NH CN
dikyandiamid
H 2N
N
N
NH2
melamin
Podobně jako se z močoviny vyrábějí močovino-formaldehydové pryskyřice, tak i
reakcí melaminu s formaldehydem se získávají melamino-formaldehydové pryskyřice,
18
vyznačující se ještě větší odolností vůči tahu a vodě nežli pryskyřice močovinoformaldehydové.
Adicí amoniaku na kyanamid vzniká guanidin, který lze považovat za diamid-imid
kyseliny uhličité.
H 2N C N
+ NH3
H2N C NH2
NH
guanidin
kyanamid
Při jeho přípravě se vychází ve skutečnosti z dikyandiamidu, který se zahřívá v přebytku
amoniaku.
2 NH3
H2N C NH C N
2 H2N C NH2
NH
dikyandiamid
NH
guanidin
Pokud se dikyandiamid zahřívá s příslušnými amonnými solemi, vznikají odpovídající
guanidiniové soli (chloridy, nitráty).
H2N C NH C N
+ 2 NH4X
H2N C NH2 X+
X=Cl, NO3
NH2
guanidinium-chlorid (nitrát)
NH
dikyandiamid
Guanidin je nejsilnější známou organickou zásadou. Jeho pKb činí 0,95, pro srovnání
pKb(triethylamin)=3,36 a pKb(anilin)=9,42. Podobně jako uronium-nitrát přechází účinkem
koncentrované kyseliny sírové na nitromočovinu, tak i guanidinium-nitrát přechází na nitroguanidin, který exploduje bez záblesku a jeho detonační účinek je srovnatelný
s trinitrotoluenem.
Při adici protonu na guanidin vzniká guanidiniový ion, který lze vyjádřit třemi
shodnými resonančními strukturami, což svědčí o uvolnění velkého množství resonanční
energie při jeho tvorbě.
H2N C NH2 + H+
H2N C NH2
+
NH
+
H2N C NH2
+
H2N C NH2
NH2
NH2
NH2
guanidinium
guanidin
Tato skutečnost je také příčinou obtížného získávání volné báze guanidinu. Postupuje
se zpravidla tak, že se na chloristan guanidinia působí ethanolickým roztokem hydroxidu
draselného. Z ethanolu se vylučuje nerozpustný chloristan draselný a guanidin zůstane
v roztoku.
Hydrolýzou přechází guanidin postupně na močovinu a posléze až na uhličitan
amonný.
H2N C NH2 + H2O
NH
guanidin
H2N C NH2
+
NH3
O
močovina
Deriváty thiouhličité kyseliny
Záměna atomů kyslíku v uhličité kyselině atomem síry se vyjadřuje předponou thio,
počet zaměněných atomů násobící předponou. Tautomerní skupiny –C(S)-OH a –C(O)–SH se
19
mohou rozlišit předřazením kurzivního symbolu prvku jako O- nebo S- před názvem kyselina.
Tyto kurzivní symboly se musí použít v názvech odpovídajících esterů. V anorganickém
názvosloví (názvy uvedeny v závorkách) se odlišuje atom síry vázaný ve skupině C-SH
předponou thiol- od atomu síry vázaného dvojnou vazbou C=S, který se označuje předponou
thion.
SH
OH
SH
S
O C
S
C
C
S
C
OH
OH
OH
SH
SH
thiouhličitá S-kyselina thiouhličitá O-kyselina
dithiouhličitá S-kyselina
trithiouhličitá kyselina
(thioluhličitá kyselina) (thionuhličitá kyselina) (thiol-thionuhličitá kyselina) (dithiol-thionuhličitá kyselina)
"xanthogenová" kyselina
Analogy oxidu uhličitého jsou karbonylsulfid - COS a sirouhlík (sulfid uhličitý) - CS2.
Karbonylsulfid se připravuje proháněním směsi oxidu uhelnatého a par síry železnou trubicí
při 500 °C. Je to toxický plyn, bez zápachu, vroucí při –47,5 °C.
500°C
+ S
C O
O C
S
Sirouhlík je toxická, vysoce hořlavá kapalina o bodu varu 46 °C, která se průmyslově
vyrábí z uhlí a síry při 900 °C nebo z methanu a síry při 700 °C v přítomnosti oxidu hlinitého
jako katalyzátoru.
Al2O3
CH4 + S
S
-H2S
C
C + 2S
S
Používá se jako rozpouštědlo a dříve se z něho vyráběl tetrachlormethan.
CS2 + Cl2
CCl4 + SCl2 + S2Cl2
Chlorací v přítomnosti vody se vyrábí chlorid kyseliny trichlormethansulfenové
(trichlormethansulfenylchlorid dříve označovaný jako „perchlormethylmerkaptan“), který se
dále využíval pro výrobu fungicidů jako například Faltanu či Captanu.
Cl
CS2 + 5 Cl2 + 4 H2O
Cl
C
S
+ 6 HCl + H2SO4
Cl
Cl
dichlormethansulfenylchlorid
O
O
N
O
Faltan
S
N
CCl3
S
CCl3
O
Captan
Sirouhlík je však výchozí látkou pro přípravu celé řady derivátů dithiouhličité
kyseliny. Tak například při reakci s ethanolem v přítomnosti hydroxidu draselného vzniká
ethylester draselné soli dithiouhličité kyseliny - kalium-O-ethyldithiokarbonát, který se
síranem měďnatým vytváří nejprve hnědý xanthogenan měďnatý, jenž se rozkládá na
dixanthogen a žlutý xanthogenan měďný (řecky: xanthos = žlutý, gennan = tvořit).
20
S
CH3CH2 OH
+ S C
+ KOH
S
CH3CH2 O C
-
+
S K
kalium-O-ethyldithiokarbonát
xanthogenan draselný
+ H2O
Proto je název xanthogenany vyhrazen pro soli O-ethyl-dithiokarbonové kyseliny, které se
používají k hubení révokazu a k flotaci rud.
S
CH3CH2O C
S
CuSO4
CH3CH2O C
-K2SO4
SK
Cu
S
2
xanthogenan měďnatý
S
S S
+
CH3CH2O C
C OCH2CH3
S S
dixanthogen
C 2H 5O C
SCu
xanthogenan měďný
Největší praktický význam má xanthát celulosy, přes který se převádí celulosa (obecně
vyjádřená jako R-OH) na rozpustnou formu zvanou viskosa. Takovýto roztok viskosy je
tryskami formován do vláken, které v kyselém prostředí přecházejí na nestálý O-ester
celulosy s dithiouhličitou kyselinou. Uvolňuje se tak znovu celulosa ve formě viskosové střiže
a sirouhlík.
R
OH
NaOH
R
ONa
CS2
S
R
H2O/H2SO4
O C
SNa
celulosa
alkalicelulosa
- NaHSO4
viskosa
S
R
R
O C
+ CS2
OH
SH
Podobně jako alkoholy, reagují se sirouhlíkem rovněž amoniak, primární a sekundární
aminy. V prvním stupni dochází nejprve k adici amoniaku na dvojnou vazbu C = S za vzniku
nestabilní dithiokarbamové kyseliny, která se reakcí s další molekulou amoniaku stabilizuje
ve formě amonium-dithiokarbamátu, jenž zahřátím uvolňuje sulfan a vzniká amoniumthiokyanát.
S
S
C
S + NH3
H2N C
SH
dithiokarbamová
kyselina
NH3
S
H 2N C
SNH4
amonium-dithiokarbamát
- H2S
N C
S
NH4
amonium-thiokyanát
(rhodanid amonný)
Amonium-thiokyanát při 170oC přesmykuje na thiomočovinu. Alternativní způsob pro
přípravu thiomočoviny spočívá v adici sulfanu na kyanamid, který se uvolňuje z kalciumkyanamidu rovněž sulfanem při 150-180°C.
21
N C
170°C
SNH4
H2S
H2N C NH2
H2S
H2N C N
Ca
-CaS
S
N CN
Také thiomočovina tvoří inkluzní sloučeniny s řadou organických molekul podobně
jako močovina, ale na rozdíl od ní jen s rozvětvenými a s cyklickými sloučeninami a pouze
s takovými nerozvětvenými sloučeninami, které mají řetězec delší než čtrnáct atomů uhlíku.
V přítomnosti hydroxidů alkalických kovů vznikají při adici dialkylaminů na sirouhlík
soli N,N-dialkyldithiokarbamové kyseliny, které účinkem peroxidu vodíku v kyselém
prostředí přecházejí na tetraalkylthiuramdisulfidy. Tetramethylthiuramdisulfid se používá
jako urychlovač vulkanizace a jako fungicidní prostředek pod názvem thiuron, zatímco
tetraethylthiuramdisulfid se pod názvem disulfiram (Antabus či Stopethyl) používá jako lék
proti chronickému alkoholismu. Byl isolován z houby hnojník inkoustový (Coprinus
astramentarius) a jeho léčivý účinek spočívá v tom, že inhibuje enzym aldehyd
dehydrogenasu v důsledku čehož neproběhne oxidace ethanolu až na kyselinu octovou, ale
zastaví se ve stadiu acetaldehydu, který se potom dostává do krevního oběhu a jeho
přítomnost se projeví silnými střevními a žaludečními potížemi.
R
R NH R + S
C
S + NaOH
-H2O
S
N C
SNa
R
H2O2
H2SO4
S
R
S
N C
S S
R
C N
R
R
R=CH3 (thiuram, Tuads)
R=C2H5 (disulfiram, Stopethyl, Antabus)
Pokud reaguje sirouhlík s přebytkem aminu, přechází přechodně vznikající N-alkyldithiokarbamová kyselina na odpovídající alkyl- nebo arylamoniovou sůl, která se
zahřátím rozkládá, uvolňuje se sulfan a vznikají odpovídající N,N´-dialkyl- nebo N,N´-diarylthiomočoviny.
R NH2
CS2
S
R NH C
R-NH2
S
R NH C
+
SH
S H3N R
-H2S
S
RNH
C
NHR
R=C6H5, N,N´-difenylthiomočovina
R=C-C6H11, N,N´-dicyklohexylthiomočovina
Takto „symetricky“ disubstituované thiomočoviny jsou výchozími látkami pro
přípravu esterů kyseliny isothiokyanaté (isothiokyanátů), které z nich vznikají účinkem
minerální kyseliny, nebo pro syntézu disubstituovaných derivátů karbodiimidu. V posledním
případě se z molekuly thiomočoviny eliminuje sulfan buďto účinkem oxidu rtuťnatého nebo
chlornanem sodným.
22
R NH C NH R
S
HgO (-HgS)
HCl
R=C6H5
N
+
S +
C
nebo NaClO (-S, -NaCl)
NH3Cl
-
N
C
N
dicyklohexylkarbodiimid
Podobně jako kyselina kyanatá, tak i thiokyanatá kyselina vytváří dvě řady solí –
alkyl- nebo arylthiokyanáty a alkyl- nebo aryl-isothiokyanáty.
R
S
R N C
C N
S
alkyl-thiokyanáty
alkyl-isothiokyanáty
Ar S C N
aryl-thiokyanáty
Ar N C S
aryl-isothiokyanáty
Alkyl-thiokyanáty se tvoří při reakci alkylhalogenidů s alkalickými thiokyanáty. Při
reakci dochází k alkylaci na atomu síry. Lze je isolovat, ale při zahřátí isomerizují na alkylisothiokyanáty. Příkladem může být příprava allyl-thiokyanátu, který po zahřátí přesmykuje
na allyl-isothiokyanát. Ten vzniká při hydrolýze glykosidu sinigrinu, který je obsažen
v semeni hořčice. Proto a pro jejich štiplavý zápach se alkyl-isothiokyanátům říká hořčičné
oleje.
CH3 I +
Cl
+
Na
S
S
C N
NaSCN
aceton
C N
S
alkylchlorid
H 3C
S
N C
C N
alkyl-thiokyanát
C N
S
alkyl-isothiokyanát
Podobně jako se močovina alkyluje na atomu kyslíku, tak i thiomočovina reaguje
s alkylhalogenidy a k alkylaci dochází na atomu síry. Toho se využívá pro syntézu alkanthiolů
tak, že vzniklé S-alkylisothiuroniové soli se podrobí hydrolýze.
H2N C NH2 +
+
H2N C NH2
CH3 I
S
thiomočovina
I
S CH3
H2O
NaOH
S-methylisothiuronium-jodid
CH3 SH + H2N C N + NaI
methanthiol
Analogické aryl-thiokyanáty je nutné připravovat reakcí diazoniových solí
s rhodanidem měďným.
+
N N Br
benzendiazoniumchlorid
CuSCN
-CuBr
-N2
S
C N
fenyl-thiokyanát
Hydrolýzou přecházejí thiokyanáty na alkan- nebo na arenthioly.
23
R
R
C N + 2 H2O + HCl
S
SH + CO2 + NH4Cl
Alkyl i aryl-isothiaokyanáty lze připravovat již zmíněnou eliminací báze ze
symetricky disubstituovaných thiomočovin. Reakci lze uskutečnit už ze stadia odpovídajících
alkylamonium-dithiokarbamátů účinkem dusičnanu olovnatého
+
R NH C(S)SH3N R + Pb(NO3)2
R N C S + PbS + RNH3NO3 + HNO3
nebo přímo z výchozího aminu jeho zahříváním se sirouhlíkem a chloridem rtuťnatým.
3 R NH2 + CS2 + HgCl2
R N C
S
+
+ HgS + 2 RNH3Cl
Heterokumuleny
O C O
O C
S
S C
oxid uhličitý
karbonylsulfid
H N C O
R N C O
isokyanatá kyselina
alkyl-isokyanáty
H N C
S
isothiokyanatá kyselina
R N C
sirouhlík
S
alkyl-isothiokyanáty
R N C N R
Ar
dialkylkarbodiimidy
S
Ar
N C O
aryl-isokyanáty
Ar
N C
S
aryl-isothiokyanáty
N C N
Ar
diarylkarbodiimidy
Všechny uvedené sloučeniny s nimiž jsme se v předcházející kapitole seznámily patří
do skupiny sloučenin označovaných jako heterokumuleny, protože obsahují ve své struktuře
kumulované dvojné vazby spojující centrální atom uhlíku s heteroatomy O, N a S.
Charakteristickou reakcí heterokumulenů jsou nukleofilní adice O-nukleofilů (vody, alkoholů,
případně karboxylových kyselin), N-nukleofilů (amoniaku a aminů), případně S-nukleofilů
(sulfanu a alkanthiolů). Řada těchto reakcí byla využita při reakcích oxidu uhličitého a
sirouhlíku v procesu přípravy derivátů kyseliny uhličité a thiouhličitých kyselin. Alkyl- a arylisokyanáty vznikají také jako meziprodukty při odbourávání amidů či azidů kyselin.
O
O
Br2/NaOH
R N C O
R C
R C
+
N N N
NH2
Při adici vody na isokyanáty vznikají nestabilní deriváty karbamové kyseliny, které se
rozkládají na amin a oxid uhličitý.
O
R N C O + H2O
R NH C
R NH2
+ CO2
OH
24
Při adici alkoholů se už tvoří stálé deriváty kyseliny uhličité – estery kyseliny
karbamové, které spadají do skupiny sloučenin označovaných jako urethany. Technický
význam mají polyurethany, produkty reakce diisokyanátů s 1,ω-alkandioly.
NH C OCH2CH3
N C O + CH3CH2OH
O
ethyl-N-fenylkarbamát
O C N
N C O
+
HO CH2 CH2 OH
fenylen-1,4,-diisokyanát
C NH
O
NH C
O CH2CH2 O
O
x
Při adici amoniaku na isokyanáty vznikají monosubstituované močoviny, při adici
aminů disubstituované močoviny.
CH3CH2 N C O
+ NH3
C NH2
O
ethylmočovina
O
ethyl-isokyanát
N C O
CH3CH2 NH
1
+ HN(CH3)2
CH3
NH C N
CH3
3-fenyl-1,1-dimethylmočovina
fenyl-isokyanát
Analogickými reakcemi se při adici alkoholů získávají například z fenylisothiokyanátu O-alkyl-thiokarbamáty a při adici aminů deriváty thiomočoviny.
S
N C
S
+ CH3CH2-OH
NH
C
O CH2CH3
fenyl-isothiokyanát
O-ethyl-N-fenylthiokarbamát
S
N C
S
+ CH3CH2-NH2
NH
C
NH CH2CH3
1-ethyl-3-fenylthiomočovina
Fenyl-isothiokyanát našel využití při postupném odbourávání peptidů (Edmanovo
odbourávání) a slouží ke stanovení primární struktury bílkovin. Koncové aminokyseliny se
z peptidického řetězce „odlupují“ postupně ve formě odpovídajících derivátů fenylhydantoinu
avšak vícestupňovým sledem reakcí než jak je ukázáno na příkladu alanylglycinu (Ala-Gly).
25
N C
S
S
2
N
O
H2N CH C
CH3
C
3
+
O
NH CH2 COOH
+ H2N
1
NH
CH2 COOH
C CH
4
5
CH3
3-fenyl-5-methyl-2-thiohydantoin
Ala-Gly
Při adici vody na deriváty karbodiimidu vznikají močoviny, při adici alkoholů se tvoří
O-alkylisomočoviny a při adici aminů příslušně substituované deriváty guanidinu.
N C NH
CH3OH
H2O
N C N
NH C N
OH
OCH3
N,N´-difenyl-O-methylisomočovina
NH C NH
O
N,N´-difenylmočovina
Jako hlavní produkty z adice karboxylových kyselin na diarylkarbodiimid vznikají Oacylisomočoviny, které však přesmykují na odpovídající acylmočoviny.
N C N
+
R C OH
N C NH
O
O
O
R
NH C
O
N
O
R
Větší syntetický význam proto mají dialkylkarbodiimidy, z nichž je nejrozšířenější
dicyklohexylkarbodiimid (DCC), který převádí karboxylové kyseliny na jejich anhydridy,
O
N C N
2 R C OH
R C O C R
O
+
O
N C N
H
H
O
sulfonové kyseliny na anhydridy sulfonových kyselin
N C N
2 CH3CH2 SO2OH
CH3CH2 SO2 O SO2 CH3CH2 +
N C N
H
H
O
a dialkyl-hydrogen-fosfáty na odpovídající tetraalkyl-difosfáty a sám se při reakci přeměňuje
na N,N´-dicyklohexylmočovinu.
26
2 (C2H5O)2P(O)OH
N C N
O
O
(C2H5O)2 P O P(OC2H5)2 +
N C N
H
H
O
Z N,N´-dicyklohexylmočoviny lze dehydratací účinkem halogenidů anorganických
kyselin (PCl5, COCl2, SOCl2) nebo účinkem p-toluensulfonylchloridu získat opět
dicyklohexylkarbodiimid.
COCl2
N C N
H
H
O
N C N
-CO2, -HCl
Reaguje-li dicyklohexylkarbodiimid se směsí alkoholu a karboxylové kyseliny
vznikají estery,
O
O
OH
O
DCC
OH
+
+
NH CO NH
terc-butylbenzoát
při reakci se směsí aminu a kyseliny se tvoří zase amidy kyselin.
O
O
OH
NH
DCC
+ H2N
+
NH CO NH
N-cyklohexylbenzamid
Poslední reakce se využívá v syntéze peptidů jak je ukázáno na přípravě dipeptidu
alanylglycinu (Ala-Gly). Vychází se při ní z jednotlivých aminokyselin opatřených již
zmíněnými chránícími skupinami tak, aby se mohla selektivně vytvořit peptidická vazba. Ze
vzniklého produktu se potom odstraní chránící skupiny hydrogenolýzou.
O
O
CH3
O
N
H
OH
+
H2N
O
DCC
H
O
-(C6H11NH)2CO
benzyl-glycinát
N-benzyloxykarbonylalanin
CH3
O
N
H
O
O
O
H
N
H2/Pd
O
H
CH3
2
CH3
+ CO2 +
H2N
O
O
H
N
OH
H
27
Amidická vazba vzniká i v přítomnosti vody případně i jiných hydroxysloučenin.
Znamená to, že při těchto „kondensačních“ reakcích nejprve dochází k adici kyseliny na
dicyklohexylkarbodiimid a vzniklá O-acyldicyklohexylisomočovina teprve potom podléhá
ataku přítomným nukleofilem. Při ataku další molekulou kyseliny vznikají anhydridy kyselin,
při ataku alkoholem vznikají estery a reakcí s aminy vznikají amidy.
O
+ R C
N C N
OH
NH C N
NH C N
O
O
R
O
O
Nu
NuH = CH3COOH
H
R
O
NuH = CH3CH2OH
Nu
(C6H11NH)2CO
O
smíšený anhydrid
R C O CH2CH3
O
NuH = CH3 NH2
+
R C O C CH3
-
+
(C6H11NH)2CO
ethyl-alkanoát
R C NH CH3
+
(C6H11NH)2CO
O
N-methylalkanamid
28