Amidy

Budowa i podział amidów

Amidy są pochodnymi kwasów karboksylowych. W pierwotnej cząsteczce kwasu, grupa hydroksylowa została zastąpiona grupą aminową. W zależności od rzędowości danego amidu, do atomu azotu przyłączone są atomy wodoru, reszta kwasowa bądź dowolna grupa organiczna. Zatem amidy charakteryzują się obecnością w swoich cząsteczkach aż dwóch grup funkcyjnych: grupy karbonylowej oraz grupy aminowej. Chemiczna budowa amidów jest najbardziej różnorodna ze wszystkich pochodnych kwasów karboksylowych, bo do amidów należą związki tak proste jak mocznik oraz tak złożone jak białka. Stąd też wiązanie amidowe jest jednym z bardziej kluczowych dla funkcjonowania żywych organizmów, ponieważ występuje w łańcuchach polipeptydowych.

Ze względu na budowę cząsteczki, amidy dzieli się na:

• Pierwszorzędowe – charakteryzują się tym, że jeden atom wodoru z cząsteczki NH₃ jest zastąpiony grupą acylową. Przykładem takiego amidu jest etanoamid.
• Drugorzędowe – w ich cząsteczkach są dwie grupy acylowe. Amidy drugorzędowe są nazywane potocznie imidami. Przykładem drugorzędowego amidu jest N-metyloetanoamid.
• Trzeciorzędowe – posiadają trzy grupy acylowe przyłączone do atomu azotu. Nazywane są triacyloiminami. Jako przykład takiego amidu można podać N,N-dimetyloetanoamid.

Wśród amidów na szczególną uwagę zasługują imidy. Stanowią one pochodne bezwodników kwasów dwukarboksylowych, w których atom tlenu został zastąpiony dwuwartościową grupą imidową =NH. Przykładami takich związków jest imid kwasu bursztynowego i imid kwasu ftalowego. Imidy kwasów dwukarboksylowych zwykle są otrzymywane w reakcjach bezwodników kwasów dwukarboksylowych wraz z amoniakiem. Szczególnym przykładem imidu jest dwuimid kwasu węglowego, nazywany zwyczajowo mocznikiem. Obecnie jest on ważnym surowcem w technologii chemicznej. Pozyskiwany jest na dużą skalę ze względu na zastosowanie do produkcji nawozów. Należy dodać, że mocznik jest pierwszym związkiem organicznym, który otrzymano w wyniku syntezy chemicznej (poza organizmem człowieka). Dokonał tego w 1828 roku Friedrich Wohler.

Otrzymywanie

Istnieje kilka podstawowych metod otrzymywania amidów kwasów karboksylowych.

Jedną z podstawowych reakcji otrzymywania amidów jest ogrzewanie wybranych kwasów karboksylowych z wodnym roztworem amoniaku. W ten sposób otrzymuje się amidy pierwszorzędowe. Produktem pośrednim takiej reakcji jest sól amonowa kwasu karboksylowego, z której w wyniku pirolizy powstaje kolejno amid i cząsteczka wody. Można także wykorzystać reakcję zachodzącą pomiędzy bezwodnikami kwasowymi, a amoniakiem. W reakcji powstaje amid pierwszorzędowy oraz odpowiednia sól amonowa kwasu. Amidy pierwszorzędowe można także otrzymać z wykorzystaniem estrów oraz nitryli.

Amidy drugorzędowe są otrzymywane w reakcjach wybranych kwasów karboksylowych z odpowiednimi pierwszorzędowymi amidami. W wyniku takiej reakcji powstaje amid drugorzędowy oraz cząsteczka wody. Ponadto aminy drugorzędowe można otrzymać z wykorzystaniem odpowiednich estrów.

Amidy trzeciorzędowe otrzymuje się analogicznie jak w przypadku amidów drugorzędowych. Jednak w tym przypadku kwas karboksylowy wchodzi w reakcję z amidem drugorzędowym. Podobnie jak w wyżej opisanych przypadkach, produktami przemiany są amid trzeciorzędowy oraz cząsteczka wody. Ponadto amidy trzeciorzędowe można otrzymać w reakcji estru z wodnym roztworem amoniaku.

Spośród amidów kwasów karboksylowych, na szczególną uwagę zasługuje amid kwasu octowego. Zwyczajowo jest nazywany acetamidem. Otrzymywany jest między innymi w reakcji dehydratacji octanu amonu, podczas ogrzewania do temperatury rozkładu. Natomiast amidem o najprostszej budowie jest amid kwasu benzoesowego (benzamid). Substancja ta jest otrzymywana w trakcie działania amoniaku na chlorek kwasu benzoesowego. Następuje wtedy podstawienie grupą funkcyjną jonu chlorkowego.

Właściwości

Budowa cząsteczek amidów bezpośrednio wpływa na ich właściwości. Występujące w ich budowie wiązanie amidowe jest płaskie. Amidy mają na ogół charakter obojętny (czasami lekko kwasowy). Proste amidy dobrze rozpuszczają się w wodzie. Jest to spowodowane budową ich cząsteczek, a w szczególności brakiem występowania długiego łańcucha węglowodorowego oraz obecnością silnie elektroujemnego atomu azotu, a także atomów węgla, zdolnych do utworzenia wiązań wodorowych. Podczas długotrwałego ogrzewania ich roztworu wodnego, przechodzą w sole amoniowe. Amid o najprostszej budowie – metanoamid – jest cieczą w temperaturze pokojowej. Pozostałe związki z tej grupy mają stały stan skupienia. Cechą charakterystyczną są również dla nich stosunkowo wysokie temperatury topnienia i wrzenia. Ich wartości znacznie przekraczają te, które są charakterystyczna dla odpowiadających im kwasów karboksylowych. Ponadto amidy poprzez budowę swojej cząsteczki wykazują znaczną popularność i mają tendencję do asocjacji, czyli łączenia się ze sobą poszczególnych cząsteczek w większe skupiska (utworzenie wiązań wodorowych).

Biorąc pod uwagę to, że amidy są mało reaktywne, to warunki, w jakich ulegają one reakcjom chemicznym, muszą być znacznie bardziej drastyczne. Przemiany, jakim ulegają amidy to przede wszystkim reakcje hydrolizy. Mają one miejsce w warunkach kwasowych bądź alkalicznych. W zależności od reakcji, poszczególne amidy redukują się do amin pierwszorzędowych, drugorzędowych lub trzeciorzędowych. Amidy pierwszorzędowe w reakcjach z chlorkiem tionylu przekształcają się w nitryle. Co ważne amidy mogą tworzyć polimery, nazywane poliamidami. Wśród poliamidów, największe znaczenie ma nylon. Amidy reagują także z silnymi kwasami, dając jako produkt odpowiednie sole. Znane są również reakcje amidów z wodorem. W ich wyniku powstają aminy.

Nylon

Jednym z ważniejszych amidów dla rozwoju przemysłu, w tym technologii chemicznej, okazał się nylon, po raz pierwszy opracowany w 1935 roku. Jest on przykładem poliamidu, czyli syntetycznego polimeru wielkocząsteczkowego, zawierającego w swojej budowie grupę amidową.

Otrzymywanie nylonu rozpoczyna się tak naprawdę od przegrupowania Beckmanna. Jest to reakcja, w której pierwszym etapem jest synteza amidów polegająca na przegrupowaniu oksymów. Jednym ze sposobów przeprowadzenia tego procesu jest ogrzewanie oksymu z kwasem, o właściwościach silnie protonujących. Takim kwasem jest na przykład kwas siarkowy (VI). Z wykorzystaniem metody przegrupowania Beckmanna na skalę przemysłową otrzymuje się kaprolaktam, który jest podstawowym surowcem w produkcji nylonu (metoda polimeryzacji laktamów). Powstały nylon charakteryzuje się szeregiem właściwości, które wyróżniają go na tle innych materiałów. Znany jest przede wszystkim ze swojej wysokiej wytrzymałości, a przy tym łatwości w obróbce. Jest również odporny na działanie chemikaliów. Do jego zalet należy zaliczyć także niską wagę, właściwości izolacyjne i dielektryczne, niską ścieralność oraz właściwości tłumiące.

Nylon jest obecnie jednym z najbardziej popularnych tworzyw sztucznych. Uważany jest za jedno z najbardziej wszechstronnych tworzyw sztucznych na świecie. Znajduje zastosowanie praktycznie w każdej branży przemysłowej, od produkcji tkanin do przemysłu lotniczego. Wytwarzany jest przede wszystkim w postaci włókien o bardzo dużej wytrzymałości w porównaniu do innych materiałów. W takiej formie jest przeznaczony do produkcji przędzy, tkanin oraz dzianin. Włókna nylonowe można znaleźć także w dywanach, obuwiu, odzieży ochronnej, piłkach do koszykówki, spadochronach, strunach gitarowych, niciach chirurgicznych, kostiumach kąpielowych, obudowach gniazdek elektrycznych czy elementach karoserii samochodowej.