NH-Acidität von Amiden, Imiden und Sulfonamiden
Warum Imide, Sulfonamide und Barbiturate am Stickstoff sauer sind und wie man Amine, Amide, Imide und Sulfonamide nach ihrer NH-Acidität ordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- NH-Acidität beschreibt, wie leicht eine NH-Gruppe ein Proton abgibt. Sie steigt, je besser Akzeptorgruppen am Stickstoff die negative Ladung des Anions verteilen.
- Ein Imid wie Phthalimid ist durch zwei flankierende Carbonylgruppen deutlich acider als ein Amid, sein Anion trägt die Ladung an N und beiden O.
- Typische Reihen: Cyclohexylamin < Anilin < Benzamid < Benzolsulfonamid sowie N-Methylbenzamid < Benzamid < Acetanilid < Phthalimid.
- Saccharin (NH zwischen C=O und \(\ce{SO2}\)) ist stark NH-acide und acider als 2-Sulfamoylbenzoat. Auch α-Pyridon, Maleinsäureimid und Imidazol (mit \(\ce{NaNH2}\)) sind NH-acide.
- Barbitursäure ist an C5 CH-acide und an N1/N3 NH-acide, ihre Deprotonierung liefert ein ambidentes Anion. Barbital löst sich in Lauge, nicht in Mineralsäure.
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Säuren am Stickstoff
Viele Arzneistoffe tragen eine NH-Gruppe, die sich in Lauge deprotonieren lässt. Barbiturate und Saccharin sind bekannte Beispiele, und sie bilden deshalb lösliche Natriumsalze. Wie sauer eine solche NH-Gruppe ist, lässt sich direkt aus den Nachbargruppen am Stickstoff ablesen.
Amide, Imide und Sulfonamide
Eine NH-Gruppe ist umso acider, je besser das entstehende Anion seine negative Ladung verteilen kann. Diese Grundidee der NH-Acidität trägt alle Reihen dieser Seite. Im einfachen Amin bleibt die Ladung am Stickstoff hängen. Ammoniak, Cyclohexylamin und Diisopropylamin sind daher extrem schwache NH-Säuren. Alkylgruppen schieben zusätzlich Elektronendichte zum Stickstoff (+I-Effekt) und senken die Acidität weiter.
Jede Akzeptorgruppe am Stickstoff öffnet der Ladung einen zusätzlichen Ausweg. Im Anilin verteilt der Phenylring sie über die ortho- und para-Positionen. Im Amid übernimmt der Carbonylsauerstoff die Ladung, wie bei der Amidmesomerie. Sauerstoff trägt eine negative Ladung viel lieber als Ring-Kohlenstoff. Deshalb ist Benzamid deutlich acider als Anilin.
Imide: zwei Carbonylgruppen am Stickstoff
Ein Imid enthält die Gruppe \(\ce{-CO-NH-CO-}\). Die NH-Gruppe ist also von zwei Acylresten flankiert. Mehr zur Stoffklasse steht bei den Carbonsäureamiden und Imiden.
Im Phthalimid verteilt sich die Ladung des Anions über den Stickstoff und beide Carbonylsauerstoffe. Der pKa-Wert sinkt dadurch auf etwa 8. Phthalimid löst sich deshalb schon in wässriger Lauge:
\[\ce{C6H4(CO)2NH + OH- -> C6H4(CO)2N- + H2O}\]
Dasselbe Prinzip macht Maleinsäureimid NH-acide. Saccharin geht noch weiter. Sein NH steht zwischen einer Carbonyl- und einer Sulfonylgruppe, der pKa liegt bei etwa 1,6. Damit ist Saccharin acider als 2-Sulfamoylbenzoat, seine ringgeöffnete Form. Dort hat die \(\ce{SO2NH2}\)-Gruppe nur einen Akzeptor, und die benachbarte Carboxylat-Ladung erschwert eine weitere Deprotonierung.
Sulfonyl-, Aryl- und Nitrogruppen
Die Sulfonylgruppe zieht stärker als eine Carbonylgruppe. Benzolsulfonamid ist deshalb acider als Benzamid. Auch ein Arylrest am Amidstickstoff hilft, weil die Ladung zusätzlich in den Ring ausweicht. Benzanilid und Acetanilid sind daher acider als Benzamid, bleiben aber hinter Phthalimid. Eine Nitrogruppe am Stickstoff macht N-Nitrobenzamid besonders acide. Eine Methylgruppe wirkt umgekehrt: N-Methylbenzamid ist weniger acide als Benzamid.
| Verbindung | Gruppen am N | pKa (NH, ca.) |
|---|---|---|
| Cyclohexylamin, Diisopropylamin | nur Alkyl | über 35 |
| Anilin | ein Aryl | ca. 27 |
| Benzamid | eine C=O | ca. 15 |
| Benzolsulfonamid | eine \(\ce{SO2}\) | ca. 10 |
| Phthalimid | zwei C=O | ca. 8 |
| Saccharin | C=O und \(\ce{SO2}\) | ca. 1,6 |
Die Werte für Amine und Anilin sind nur grobe Schätzungen. Für das Ordnen genügt die Logik der Nachbargruppen:
- NH suchen: Alle NH-Gruppen der Strukturformel markieren.
- Nachbarn zählen: Wie viele Akzeptoren (Aryl, C=O, \(\ce{SO2}\), \(\ce{NO2}\)) sitzen direkt am Stickstoff?
- Gewichten: Alkyl < H < Aryl < C=O < \(\ce{SO2}\) oder \(\ce{NO2}\). Zwei Akzeptoren schlagen einen.
- Feinabstufung: Alkyl am Amid-N senkt die Acidität, Aryl am Amid-N hebt sie.
Reihen wie Cyclohexylamin < Anilin < Benzamid < Benzolsulfonamid oder N-Methylbenzamid < Benzamid < Acetanilid < Phthalimid solltest du sicher können. Achte auf die Zahl der Akzeptoren am Stickstoff und darauf, dass eine N-Methylgruppe ein Amid weniger acide macht.
NH-acide Heterocyclen
α-Pyridon (Pyridin-2(1H)-on) ist ein cyclisches Amid. Sein Anion trägt die Ladung am Sauerstoff und im Ring, deshalb ist es NH-acide. Auch die NH-Gruppe des Imidazols ist schwach sauer (pKa ca. 14,5). Starke Basen wie Natriumamid (\(\ce{NaNH2}\)) deprotonieren sie vollständig. Den Aufbau dieser Ringe erklären die Heteroaromaten.
Barbitursäure
Barbitursäure ist ein cyclisches Kondensationsprodukt aus Harnstoff und Malonsäure. Sie vereint zwei Arten von Säurezentren. Die \(\ce{CH2}\)-Gruppe an C5 steht zwischen zwei Carbonylgruppen. Sie ist deshalb CH-acide wie ein 1,3-Dicarbonyl. Die NH-Gruppen an N1 und N3 sind von je zwei Carbonylgruppen flankiert und damit imidartig NH-acide.
Diese NH-Acidität besteht in der Triketoform ebenso wie in der Enolform. Die Enolform enthält zusätzlich das Element O=C–C=C–OH. Sie ist damit eine vinyloge Carbonsäure.
Ein ambidentes Anion besitzt zwei verschiedene nucleophile Atome, über die seine Ladung mesomer verteilt ist. Ein Elektrophil kann es an dem einen oder an dem anderen Atom angreifen.
Genau so ein Anion entsteht, wenn eine Base Barbitursäure deprotoniert. Die Ladung sitzt am Stickstoff und an den Carbonylsauerstoffen. Ein Alkylierungsmittel kann daher am N oder am O angreifen.
Im Barbital (5,5-Diethylbarbitursäure) trägt C5 keinen Wasserstoff mehr. Übrig bleibt die NH-Acidität mit einem pKa um 8. Barbital löst sich deshalb in wässriger Lauge als Natriumsalz:
\[\ce{C8H12N2O3 + NaOH -> C8H11N2O3Na + H2O}\]
In wässriger Mineralsäure löst es sich dagegen nicht. Die Elektronenpaare der imidartigen Stickstoffe sind in die Carbonylgruppen delokalisiert, ein basisches Zentrum fehlt. Wie man aus solchen pKa-Werten Löslichkeit und Extraktion ableitet, zeigt pKa-Werte anwenden.
Quiz
Aussage 1
N-Methylbenzamid ist NH-acider als Benzamid, weil die Methylgruppe das Anion stabilisiert.
Die Methylgruppe schiebt Elektronendichte zum Stickstoff (+I-Effekt) und destabilisiert das Anion. N-Methylbenzamid ist weniger acide als Benzamid.
Aussage 2
Benzolsulfonamid ist NH-acider als Benzamid.
Die Sulfonylgruppe ist ein stärkerer Akzeptor als die Carbonylgruppe. Benzolsulfonamid hat einen pKa um 10, Benzamid um 15.
Aussage 3
2-Sulfamoylbenzoat ist NH-acider als Saccharin.
Saccharin ist acider. Sein NH steht zwischen C=O und \(\ce{SO2}\), während im 2-Sulfamoylbenzoat nur ein Akzeptor am N sitzt und die Carboxylat-Ladung die Deprotonierung erschwert.
Aussage 4
Barbital löst sich gut in verdünnter Salzsäure, weil seine Stickstoffatome protoniert werden.
Die imidartigen Stickstoffe sind nicht basisch. Barbital löst sich als NH-Säure in wässriger Lauge, nicht in Mineralsäure.
Aussage 5
Phthalimid ist deutlich NH-acider als Benzamid, weil sein Anion die Ladung über zwei Carbonylsauerstoffe verteilen kann.
Im Imid flankieren zwei C=O-Gruppen das NH. Das Anion ist über N und beide O delokalisiert, der pKa liegt bei etwa 8.
Aussage 6
Das durch Deprotonierung von Barbitursäure gebildete Anion kann von einem Alkylierungsmittel sowohl am Stickstoff als auch am Sauerstoff angegriffen werden.
Die Ladung ist über N und O delokalisiert. Es handelt sich um ein ambidentes Anion mit zwei nucleophilen Zentren.
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