Amidine und Guanidine als starke Basen
Warum Amidine und Guanidine zu den stärksten neutralen Stickstoffbasen gehören und wie man das an Wirkstoffen wie Dabigatran und Metformin erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Amidine (\(\ce{R-C(=NH)NH2}\)) und Guanidine (\(\ce{(H2N)2C=NH}\)) sind starke Stickstoffbasen, weil ihre Kationen mesomeriestabilisiert sind.
- Protoniert wird stets der doppelt gebundene Imino-N. Im Amidinium-Ion verteilt sich die Ladung über zwei Grenzformeln auf zwei N.
- Die Basizität steigt in der Reihe Benzonitril < Anilin < Benzylamin < Benzamidin. Acetamid und Acetonitril sind viel schwächer basisch als Acetamidin.
- Das Guanidinium-Ion hat drei gleichwertige Grenzformeln und ist trigonal-planar (etwa 120°). Guanidin ist basischer als Acetamidin und liegt in Wasser protoniert vor.
- Vinyloge Amidine wie 4-Aminopyridin und 4-Aminochinoline (Ferroquin) sowie protoniertes Metformin bilden ebenfalls mesomeriestabilisierte Kationen. In Dabigatran ist die Amidin-Gruppe das basischste Zentrum.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Amidine und Guanidine sind deutlich stärker basisch als gewöhnliche Amine. Den Grund liefert die Mesomerie ihrer Kationen. In der Pharmazie hilft das, den Ladungszustand von Wirkstoffen wie Metformin vorherzusagen, und davon hängen Löslichkeit und Salzbildung ab.
Amidine
Ein Amidin leitet sich formal von einer Carbonsäure ab. Die OH-Gruppe ist durch \(\ce{NH2}\) ersetzt, der Carbonyl-O durch \(\ce{NH}\). Die Gruppe lautet also \(\ce{R-C(=NH)-NH2}\), das einfachste Beispiel ist Acetamidin, \(\ce{CH3-C(=NH)NH2}\). Herstellung und Reaktionen der Stoffklasse stehen unter Guanidine, Amidine, Carbodiimide und Isoharnstoffe.
Protonierung am Imino-N
Von den zwei Stickstoffatomen wird nur der doppelt gebundene Imino-Stickstoff (\(\ce{=NH}\)) protoniert. So entsteht das Amidinium-Ion. Das freie Elektronenpaar des Amino-N schiebt sich in die C=N-Bindung. Es gibt zwei gleichwertige Grenzformeln, und die positive Ladung verteilt sich auf beide N. Diese Mesomeriestabilisierung des Kations macht Amidine zu starken Basen. Der pKa von Acetamidinium liegt bei etwa 12,4.
Würde der Amino-N protoniert, entstünde ein gewöhnliches Ammonium-Ion. Seine Ladung bliebe lokalisiert, eine zweite Grenzformel gibt es nicht.
Vergleich mit Amiden, Nitrilen und Aminen
Allgemein gilt: Je besser das Kation stabilisiert ist, desto stärker ist die Base (Basizität von Stickstoffbasen). Acetamid wird am Carbonyl-O protoniert. Sauerstoff ist elektronegativer und trägt die positive Ladung schlecht, daher ist Acetamid kaum basisch. Bei Acetonitril sitzt das Elektronenpaar in einem sp-Orbital mit hohem s-Anteil (Hybridisierung). Es ist fest gebunden. Beide Verbindungen sind viel schwächere Basen als Acetamidin.
Dasselbe Prinzip ordnet vier Benzolderivate:
| Verbindung | basisches Zentrum | pKa der konj. Säure (etwa) | Grund |
|---|---|---|---|
| Benzonitril | sp-N | −10 | Elektronenpaar mit hohem s-Anteil |
| Anilin | Amino-N am Ring | 4,6 | Elektronenpaar in den Ring delokalisiert |
| Benzylamin | aliphatischer sp³-N | 9,3 | Ammonium-Ion nicht stabilisiert |
| Benzamidin | Imino-N | 11,6 | Amidinium-Ion mesomeriestabilisiert |
Auch cyclische Amidine sind starke Basen. Das bicyclische DBN (1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en) ist deutlich basischer als Chinolin, Isochinolin und Chinazolin. Deren pyridinartiger Ring-N erreicht höchstens einen pKa um 5. Indol ist praktisch nicht basisch, denn sein N-Elektronenpaar gehört zum aromatischen Sextett (Heteroaromaten).
Die Reihe Benzonitril < Anilin < Benzylamin < Benzamidin wird im Examen gerne gefragt. Begründe sie über das Kation: Nur beim Amidin wird der Imino-N protoniert, und die Ladung verteilt sich auf zwei N.
Amidine in Wirkstoffen
Im Thrombininhibitor Dabigatran ist die Benzamidin-Gruppe das basischste Zentrum. Sie liegt im Körper protoniert vor.
Schiebt sich eine C=C-Einheit zwischen die beiden N, bleibt die Wirkung erhalten. Man spricht von einem vinylogen Amidin (Vinylogie). 4-Aminopyridin wird am Ring-N protoniert. Das Elektronenpaar der Aminogruppe erreicht ihn über den Ring, also ist auch dieses Kation mesomeriestabilisiert. Dasselbe gilt für 4-Aminochinoline wie das Antimalariamittel Ferroquin.
Guanidine
Ein Guanidin trägt drei Stickstoffatome am selben Kohlenstoff: \(\ce{(H2N)2C=NH}\). Man kann es als Amidin mit einer zusätzlichen Aminogruppe lesen. Protoniert wird auch hier der Imino-N.
Guanidinium-Ion
Im Guanidinium-Ion \(\ce{C(NH2)3+}\) können alle drei N die Ladung übernehmen. Es gibt drei gleichwertige Grenzformeln, die Ladung verteilt sich gleichmäßig. Das zentrale C ist sp²-hybridisiert. Das Ion ist trigonal-planar mit Winkeln von etwa 120°, alle C–N-Bindungen sind gleich lang.
Drei Grenzformeln stabilisieren stärker als zwei. Deshalb ist Guanidin (pKa der konj. Säure etwa 13,6) basischer als Acetamidin. In Wasser liegt die Guanidinogruppe praktisch vollständig protoniert vor, etwa in der Seitenkette von Arginin. Trägt ein Molekül zusätzlich eine Carbonsäure wie Kreatin, bildet es ein Zwitterion aus Guanidinium und Carboxylat.
Im Vergleich mit anderen Basen steht Guanidin ganz oben. Piperidin ist ein aliphatisches Amin mit lokalisierter Ladung im Kation. Pyridin hat einen sp²-N mit höherem s-Anteil, beim Anilin ist das Elektronenpaar delokalisiert. Harnstoff wird wie ein Amid am Carbonyl-O protoniert, und dieser O ist viel schwächer basisch als ein Guanidin. Auch Hydroxylamin mit seinem elektronegativen O-Nachbarn ist schwächer basisch als Formamidin, und dieses wiederum schwächer als Guanidin.
Harnstoff < Anilin < Pyridin < Piperidin < Acetamidin < Guanidin. Mit jeder Grenzformel mehr wird das Kation stabiler und die Base stärker.
Die Basizität des Guanidins ist nicht die addierte Basizität dreier Ammoniakmoleküle. Stickstoff übt als elektronegatives Atom auch keinen +I-Effekt auf das zentrale C aus. Allein die Delokalisierung im Kation erklärt die Basenstärke.
Cyclische Guanidine wie 2-Amino-3,4-dihydrochinazoline werden ebenfalls am Imin-N, dem sp²-N der C=N-Bindung, protoniert. Amino-N, deren Elektronenpaar ins Guanidin-System delokalisiert ist, werden nicht bevorzugt protoniert. Ihr Elektronenpaar steckt im π-System, und eine Protonierung dort würde die Mesomerie aufheben.
Protoniertes Metformin
Metformin ist ein Biguanid aus zwei verknüpften Guanidin-Einheiten. Die Protonierung an einem Imino-N liefert ein Kation, dessen Ladung über beide Einheiten delokalisiert ist. Metformin ist daher eine starke Base und wird als Hydrochlorid eingesetzt.
Mesomerie von Protonierungsprodukten beurteilen
Ob ein Kation mesomeriestabilisiert ist, prüfst du an der Strukturformel in vier Schritten:
- Zentrum finden: Suche einen sp²-N einer C=N-Bindung, also einen Imino- oder Ring-N.
- Protonieren: Setze das Proton dort an und schreibe die positive Ladung an diesen N.
- Nachbarn prüfen: Steht am selben C oder vinylog über eine C=C-Einheit ein N mit freiem Elektronenpaar? Dann zeichne den Pfeil vom Elektronenpaar zur C=N-Bindung.
- Bewerten: Entsteht so eine Grenzformel mit der Ladung an einem anderen N, ist das Kation mesomeriestabilisiert. Ein protonierter sp³-N ohne solche Nachbarn bleibt ein lokalisiertes Ammonium-Ion.
Nach diesem Schema sind Amidinium, Guanidinium, protoniertes Metformin und protoniertes 4-Aminopyridin mesomeriestabilisiert, protoniertes Benzylamin dagegen nicht.
Quiz
Aussage 1
Das Guanidinium-Ion ist trigonal-planar gebaut, die Winkel am zentralen Kohlenstoffatom betragen etwa 120°.
Das zentrale C ist sp²-hybridisiert, die Ladung ist über drei gleichwertige Grenzformeln verteilt, alle C–N-Bindungen sind gleich lang.
Aussage 2
Im protonierten Metformin ist die positive Ladung über beide Guanidin-Einheiten des Biguanids delokalisiert.
Nach Protonierung an einem Imino-N lassen sich Grenzformeln mit der Ladung in beiden Guanidin-Einheiten zeichnen, das Kation ist mesomeriestabilisiert.
Aussage 3
Acetamidin wird bevorzugt an der \(\ce{NH2}\)-Gruppe protoniert, weil dort ein freies Elektronenpaar eines sp³-artigen Stickstoffs zur Verfügung steht.
Protoniert wird der Imino-N (\(\ce{=NH}\)). Nur so entsteht das Amidinium-Ion mit zwei Grenzformeln, während die Protonierung am Amino-N ein lokalisiertes Ammonium-Ion ergäbe.
Aussage 4
Bei der Protonierung von 4-Aminopyridin am Ring-N entsteht ein mesomeriestabilisiertes Kation, weil die Verbindung ein vinyloges Amidin ist.
Das Elektronenpaar der Aminogruppe gelangt über den Ring zum protonierten Ring-N, sodass die Ladung auf zwei N delokalisiert ist.
Aussage 5
Benzylamin ist eine stärkere Base als Benzamidin.
Benzamidin ist basischer (pKa etwa 11,6 gegenüber 9,3), weil sein Kation mesomeriestabilisiert ist. Die Reihe lautet Benzonitril < Anilin < Benzylamin < Benzamidin.
Aussage 6
Die hohe Basizität des Guanidins erklärt sich durch den +I-Effekt der drei Stickstoffatome auf das zentrale Kohlenstoffatom.
Stickstoff übt als elektronegatives Atom keinen +I-Effekt aus. Die Basizität beruht auf der Mesomeriestabilisierung des Guanidinium-Ions.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.