Carbonsäureamide und Imide: Struktur und Basizität
Wie man Carbonsäureamide nach dem Substitutionsgrad am Stickstoff einteilt, sie und Imide in Arzneistoffen findet und warum Amide kaum basisch sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Carbonsäureamide \(\ce{R-CO-NR'R''}\) werden nach der Zahl der Kohlenstoffreste am Amid-Stickstoff in primär, sekundär und tertiär eingeteilt.
- N-Methylacetamid ist ein sekundäres, DMF ein tertiäres Amid, Natriumamid ist kein Carbonsäureamid.
- Penicilline tragen eine offenkettige Acylamino-Seitenkette, Indometacin ein N-Acylindol, das kein Lactam ist.
- Durch die Amidmesomerie sind Amide praktisch nicht basisch und werden in Mineralsäure bevorzugt am Sauerstoff protoniert.
- Imide enthalten \(\ce{-CO-NH-CO-}\), Beispiele sind Phthalimid und Phenytoin.
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Worum es geht
Carbonsäureamide sind die stabilsten Carbonsäurederivate und stecken in vielen Arzneistoffen, von Ampicillin bis Metoclopramid. Wer ihre Struktur erkennt und ihre Mesomerie versteht, kann ihr Säure-Base-Verhalten sicher vorhersagen.
Struktur und Klassifizierung
In einem Carbonsäureamid ersetzt eine Aminogruppe die OH-Gruppe der Carbonsäure. Die funktionelle Gruppe lautet \(\ce{R-CO-NR'R''}\). Eingeteilt wird nach der Zahl der Kohlenstoffsubstituenten am Amid-Stickstoff. Die Acylgruppe selbst zählt dabei nicht mit.
| Amidtyp | Gruppe | H am N | Beispiele |
|---|---|---|---|
| primär | \(\ce{-CO-NH2}\) | 2 | Propanamid, Benzamid, Formamid \(\ce{H2N-CHO}\) |
| sekundär | \(\ce{-CO-NHR}\) | 1 | N-Methylacetamid |
| tertiär | \(\ce{-CO-NR2}\) | 0 | N,N-Dimethylformamid (DMF), N,N-Dimethyl-2-methylpropanamid |
An einer Strukturformel gehst du so vor: Suche die C=O-Gruppe, gehe zum direkt gebundenen Stickstoff und zähle dort die Reste außer der Acylgruppe. Verzweigungen in der Kohlenstoffkette spielen keine Rolle. Die 2-Methylgruppe im N,N-Dimethyl-2-methylpropanamid ändert also nichts am tertiären Charakter.
Die Abbildung zeigt drei Amide derselben Summenformel \(\ce{C3H7NO}\). Sie unterscheiden sich in der Verknüpfung der Atome und sind daher Konstitutionsisomere.
Nicht jede Verbindung mit „amid“ im Namen ist ein Carbonsäureamid. Natriumamid \(\ce{NaNH2}\) ist ein Salz des Amid-Anions \(\ce{NH2-}\) und trägt keine Acylgruppe. Harnstoff \(\ce{H2N-CO-NH2}\) ist kein Amin, sondern ein Diamid der Kohlensäure (siehe Kohlensäurederivate). Formamid \(\ce{H2N-CHO}\) trägt nur eine Aminogruppe und darf nicht mit Harnstoff verwechselt werden.
Das Carbonyl-C eines Amids hat dieselbe Oxidationsstufe wie in der zugehörigen Carbonsäure, nämlich +III. Amide wie N-Methylacetamid sind deshalb weder starke Reduktions- noch starke Oxidationsmittel.
Die Einteilung von Amiden wird im Examen gerne gefragt: N-Methylacetamid ist sekundär, DMF und N,N-Dimethyl-2-methylpropanamid sind tertiär. Achte darauf, nur die Reste am Stickstoff zu zählen und Alkylgruppen an der Kohlenstoffkette zu ignorieren.
Amide in Arzneistoffen
Alle Penicilline tragen an C-6 eine Acylamino-Seitenkette. Sie ist ein offenkettiges Carbonsäureamid, bei Ampicillin, Amoxicillin und Phenoxymethylpenicillin gleichermaßen. Daneben enthalten Penicilline den cyclischen β-Lactam-Ring. Diese beiden Amidtypen solltest du sicher auseinanderhalten können.
Im Indometacin sitzt eine 4-Chlorbenzoylgruppe am Indol-Stickstoff. Dieses N-Acylindol ist ein Carbonsäureamid. Der Stickstoff trägt kein H mehr, das Amid ist also tertiär. Metoclopramid ist ein Benzamid mit sekundärer Amidgruppe. Im Valsartan steckt ein tertiäres Amid ohne acides NH. Seine sauren Gruppen sind die Carboxygruppe und der Tetrazolring.
Ein Lactam liegt nur vor, wenn Stickstoff und Carbonyl-C im selben Ring liegen. Bei Indometacin gehört nur der Stickstoff zum Ring, die C=O-Gruppe liegt außerhalb. Es enthält daher kein Lactam.
Basizität und Protonierung
Amine sind basisch, Amide praktisch nicht. Der Grund liegt in der Delokalisierung des freien Elektronenpaars am Stickstoff (zu den Grundlagen siehe Mesomerie).
Das freie Elektronenpaar des Amid-Stickstoffs ist mit der C=O-Bindung konjugiert. Neben der neutralen Grenzformel trägt eine zwitterionische Grenzformel \(\ce{R-C(O^-)=N^+R2}\) bei. Die C–N-Bindung erhält dadurch partiellen Doppelbindungscharakter, die Amidgruppe ist planar.
Das Elektronenpaar steht damit kaum für ein Proton zur Verfügung. Amide haben keine \(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\)-Werte von 3 bis 5 wie aliphatische Amine, sondern sind sehr schwache Basen. Wässrige Lösungen primärer und sekundärer Amide wie N-Methylacetamid reagieren neutral.
Erst in starker Mineralsäure werden Amide protoniert, und zwar bevorzugt am Sauerstoff:
\[\ce{CH3-CO-NH2 + H+ <=> CH3-C(OH)=NH2+}\]
Das O-protonierte Kation ist über O, C und N delokalisiert und dadurch stabilisiert. Eine Protonierung am Stickstoff würde die Mesomerie aufheben und die Ladung am N festhalten.
Derselbe Effekt macht Harnstoff zu einer nur sehr schwachen Base. Auch die Amid-Stickstoffe des Semicarbazids sind kaum nucleophil. Es reagiert mit Carbonylverbindungen über seine endständige Hydrazin-NH2-Gruppe zum Semicarbazon.
Die Mesomerie macht das Amid-NH umgekehrt schwach acide. Benzamid ist aber viel schwächer NH-acide als Phthalimid, bei dem zwei Carbonylgruppen die negative Ladung aufnehmen. Mehr dazu unter NH-Acidität.
Carbonsäureimide
In einem Imid tragen zwei Acylgruppen denselben Stickstoff. Die typische Gruppierung ist \(\ce{-CO-NH-CO-}\). Das NH ist dadurch deutlich acider als in einfachen Amiden.
Phthalimid ist ein cyclisches Imid: Das Ring-NH liegt zwischen zwei Carbonylgruppen, die am Benzolring sitzen. Es dient als Ausgangsstoff der Gabriel-Synthese. Das Antiepileptikum Phenytoin (5,5-Diphenylimidazolidin-2,4-dion) ist ein Hydantoin. Sein N-3 zwischen C-2 und C-4 bildet das Imid-Element. Eine C=N-Bindung, also ein Imin, enthält Phenytoin in dieser Dioxo-Form nicht.
Quiz
Aussage 1
N-Methylacetamid ist ein tertiäres Carbonsäureamid.
Der Amid-Stickstoff trägt neben der Acylgruppe nur eine Methylgruppe und noch ein H. N-Methylacetamid ist daher ein sekundäres Amid.
Aussage 2
In starker Mineralsäure werden Carbonsäureamide bevorzugt am Stickstoff protoniert.
Die Protonierung erfolgt bevorzugt am Sauerstoff, weil das entstehende Kation über O, C und N delokalisiert ist.
Aussage 3
Indometacin enthält ein Lactam, weil die 4-Chlorbenzoylgruppe an den Indol-Stickstoff gebunden ist.
Für ein Lactam müssten N und Carbonyl-C im selben Ring liegen. Die C=O-Gruppe liegt außerhalb des Rings, es handelt sich um ein offenkettiges Amid am Ring-N.
Aussage 4
Die Seitenkette von Ampicillin enthält eine offenkettige Carbonsäureamid-Gruppe.
Die Acylamino-Seitenkette an C-6 aller Penicilline ist ein offenkettiges Amid, zusätzlich zum cyclischen β-Lactam.
Aussage 5
Phenytoin enthält mit N-3 zwischen C-2 und C-4 ein Imid-Strukturelement \(\ce{-CO-NH-CO-}\).
Das NH an Position 3 liegt zwischen zwei Carbonylgruppen und bildet damit das Imid-Element des Hydantoinrings.
Aussage 6
N,N-Dimethylformamid ist ein tertiäres Carbonsäureamid.
Am Stickstoff sitzen zwei Methylgruppen und kein H, das Carbonyl-C ist eine Formylgruppe. Damit ist DMF ein tertiäres Amid.
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