7.6: Кислотно-лужні властивості азотовмісних функціональних груп

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20636

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Багато кислотно-лужних реакцій, які ми побачимо протягом нашого вивчення біологічної органічної хімії, включають функціональні групи, які містять азот. Взагалі атом азоту з трьома зв'язками і самотньою парою електронів потенційно може виступати в ролі протон-акцептора (основи) - але основність знижується, якщо електрони одинокої пари якимось чином стабілізуються. Ми вже знаємо, що аміни є основними, і що pKA для протонованого аміну знаходиться в районі 10. Ми також знаємо, що через резонанс з карбонільним зв'язком амідні азоти не є основними (насправді вони дуже слабокислі, з pKA близько 20).

Амід може діяти як слабка кислота з рКа близько 10. Негативний заряд делокалізується на кисень.

Далі розглянемо основність деяких інших азотовмісних функціональних груп.

Аніліни

Анілін, амінний аналог фенолу, є значно менш основним, ніж амін.

Протонований амін має pKA близько 10, а анілін, протонований анілін, має pKA близько 5.

Ми можемо використовувати ті самі міркування, які ми використовували при порівнянні кислотності фенолу з кислотністю алкоголю. У аніліні одинока пара на атомі азоту стабілізується резонансом з ароматичною системою р, що робить її менш доступною для склеювання і, таким чином, менш базовою.

Самотня пара стабілізується резонансом і може бути розміщена на трьох різницевих вуглеводах.

Вправа Template:index

З анілінами так само, як і з фенолами, резонансний ефект ароматичного кільця може бути підкреслений додаванням групи, що відводить електрони, і зменшуватися додаванням електронної донорської групи. Яка з двох сполук нижче, як очікується, буде більш основною? Використовуйте резонансні малюнки, щоб пояснити свої міркування.

Структура зліва має NH2 протилежну e карбонільної гілки. Структура праворуч має гілку NH2, зміщену на один вуглець вправо.

Іміни

Іміни дещо менш основні, ніж аміни:\(pK_a\) for a protonated imine is in the neighborhood of 5-7, compared to ~10 for protonated amines. Recall that an imine functional group is characterized by an sp2-hybridized nitrogen double-bonded to a carbon.

Imine and iminium ion, a protonated imine). Iminium ion has a pKa between 5 and 7.

Нижчу основність імінів в порівнянні з амінами можна пояснити наступним чином:

Одиночна пара електронів на імінному азоті займають\(sp^2\) hybrid orbital, while the lone pair electrons on an amine nitrogen occupy an \(sp^3\) hybrid orbital.
\(sp^2\) orbitals are composed of one part \(s\) and two parts \(p\) atomic orbitals, meaning that they have about 33% \(s\) character. \(sp^3\) orbitals, conversely, are only 25% \(s\) character (one part \(s\), three parts \(p\)).
An \(s\) atomic orbital holds electrons closer to the nucleus than a \(p\) orbital, thus \(s\) orbitals are more electronegative than \(p\) orbitals. Therefore, \(sp^2\) hybrid orbitals, with their higher s-character, are more electronegative than \(sp^3\) hybrid orbitals.
Lone pair electrons in the more electronegative \(sp^2\) hybrid orbitals of an imine are held more tightly to the nitrogen nucleus, and are therefore less 'free' to break away and form a bond to a proton - in other words, they are less basic.

The aromatic compound pyridine, with an imine nitrogen, has a \(pK_a\) of 5.3. Recall from section 2.2C that the lone pair electrons on the nitrogen atom of pyridine occupy an sp2-hybrid orbital, and are not part of the aromatic sextet - thus, they are available for bonding with a proton.

The lone pair on the nitrogen in a pyridine is not part of the aromatic system. Pyridinium ion has a pKa of 5.3.

Пірол

У ароматичному кільці пірролу електрони одиночної пари азоту входять до складу ароматичного секстету, і тому набагато менш доступні для формування нового зв'язку з протоном. Піррол - дуже слабка основа: кон'югатна кислота - сильна кислота\(pK_a\) з 0,4.

Самотня пара на азоті в піролі входить до складу ароматичного секстету. Іон піролію має рКа 0,4 і більше не є ароматичним.

Нижче наведено короткий опис п'яти загальних механізмів склеювання азоту та їх відносної основності:

азотна група	будова	\(pK_a\) of conjugate acid
amide		\(pK_a\) of conjugate acid" style="vertical-align:top;"> NA (amide nitrogens are not basic)
amine		\(pK_a\) of conjugate acid" style="vertical-align:top;"> ~ 10
imine		\(pK_a\) of conjugate acid" style="vertical-align:top;"> ~ 5 - 7
aniline		\(pK_a\) of conjugate acid" style="vertical-align:top;"> ~ 5
pyrrole		\(pK_a\) of conjugate acid" style="vertical-align:top;"> ~ 0

Learning and being able to recognize these five different 'types' of nitrogen can be very helpful in making predictions about the reactivity of a great variety of nitrogen-containing biomolecules. The side chain of the amino acid tryptophan, for example, contains a non-basic 'pyrrole-like' nitrogen (the lone pair electrons are part of the 10-electron aromatic system), and the peptide chain nitrogen, of course, is an amide. The nucleotide base adenine contains three types of nitrogen.

Tryptophan contains an amide and a pyrrole like nitrogen. Adenine contains an aniline, three imines, and a pyrrole like nitrogen.

The side chain on a histidine amino acid has both a 'pyrrole-like' nitrogen and an imine nitrogen. The pKa of a protonated histidine residue is approximately 7, meaning that histidine will be present in both protonated and deprotonated forms in physiological buffer. Histidine residues in the active site of enzymes are common proton donor-acceptor groups in biochemical reactions.

Histidine contains, and amide, imine, and a pyrrole like nitrogen. Histidinium is a protonated histidine and the imine now has a hydrogen and pKa of 7. The two other nitrogens remain the same.

Вправа Template:index

Нижче наведені структури чотирьох молекул «коферменту», необхідних для метаболізму людини (функцію всіх цих ми вивчимо в главі 17).

Структури флуатіону, тіаміну, який є вітаміном В1, піридозал фосфат, який отримують з вітаміну В6, і тетрагідрофолат, який отримують з фолієвої кислоти.

Коли це доречно, призначте етикетку кожному атому азоту, використовуючи класифікації основних ознак, визначені в цьому розділі («піролеподібні» тощо).
Є один азот, який не потрапляє ні в один з цих типів - він основний? Чому чи чому ні? Який би хороший термін з двох слів для опису групи, що містить цей азот?