Амиды, наряду с алканами, спиртами, фенолами и кетонами, представляют собой еще одну группу органических соединений, характеризующихся специфическими свойствами. Амиды получают в результате реакции карбоновых кислот с аминами. Это химические соединения, которые повсюду встречаются в природе или получаются в результате синтетических процессов химической технологии. Благодаря ряду положительных свойств они находят особое применение в промышленности и современной технике. Большое значение имеют также производные амидов.
Строение и классификация амидов
Амиды являются производными карбоновых кислот. В исходной молекуле кислоты гидроксильная группа заменена на аминную. В зависимости от степени замещенности данного амида, к атому азота присоединяются атомы водорода, кислотный остаток или произвольная органическая группа. Таким образом, амиды характеризуются наличием в молекуле целых двух функциональных групп: карбонильной и аминной. Химическая структура амидов наиболее разнородна среди всех производных карбоновых кислот, поскольку в состав амидов входят как простые соединения, например мочевина, так и сложные, например белки. Отсюда следует, что амидная связь является одной из наиболее важных для функционирования живых организмов, поскольку она встречается в полипептидных цепях.
Исходя из строения молекулы, амиды классифицируются на:
- Первичные — характеризуются тем, что один атом водорода из молекулы NH3 замещен на ацильную группу. Примером такого амида является этаноамид.
- Вторичные — в их молекулах присутствуют две ацильные группы. Вторичные амиды принято называть имидами. Примером вторичного амида является N-метилэтаноамид.
- Третичные — имеют три ацильные группы, присоединенные к атому азота. Они называются триацилиминами. Примером такого амида является N,N-диметилэтаноамид.
Среди амидов особого внимания заслуживают имиды. Они представляют собой производные ангидридов дикарбоновых кислот, в которых атом кислорода заменен на двухвалентную имидную группу =NH. Примерами таких соединений являются имид янтарной кислоты и имид фталевой кислоты. Имиды дикарбоновых кислот обычно получают в результате реакции ангидридов дикарбоновых кислот с аммиаком. Особым примером имида является имид карбоновой кислоты, который обычно называют мочевиной. В настоящее время он является важным сырьем в химической технологии. Его добыча ведется в больших масштабах с учетом применения в производстве удобрений. Следует добавить, что мочевина является первым органическим соединением, полученным в результате химического синтеза (вне организма человека). Это было сделано в 1828 году Фридрихом Велером.
Получение
Существует несколько основных методов получения амидов карбоновых кислот.
Одна из основных реакций получения амидов заключается в нагревании выбранных карбоновых кислот с водным раствором аммиака. При этом получаются первичные амиды. Промежуточным продуктом такой реакции является аммониевая соль карбоновой кислоты, из которой при пиролизе последовательно образуются амид и молекула воды. Кроме того, можно воспользоваться реакцией, происходящей между кислотными ангидридами и аммиаком. В результате реакции образуется первичный амид и соответствующая аммониевая соль кислоты. Первичные амиды можно получить и с применением сложных эфиров и нитрилов.
Вторичные амиды получают в результате реакций выбранных карбоновых кислот с соответствующими первичными амидами. В результате такой реакции образуется вторичный амид и молекула воды. Кроме того, вторичные амиды можно получить с помощью соответствующих сложных эфиров.
Третичные амиды получают аналогично вторичным амидам. Однако в этом случае карбоновая кислота реагирует со вторичным амидом. Как и в описанных выше случаях, продуктами превращения являются третичный амид и молекула воды. Кроме того, третичные амиды можно получить в результате реакции сложного эфира с водным раствором аммиака.
Среди амидов карбоновых кислот особого внимания заслуживает амид уксусной кислоты. Обычно его называют ацетамидом. Он получается, в частности, в результате реакции дегидратации ацетата аммония при нагревании до температуры разложения. Напротив, амидом с наиболее простым строением является амид бензойной кислоты (бензамид). Это вещество получается при воздействии аммиака на хлорид бензойной кислоты. При этом происходит замещение хлорид-иона функциональной группой.
Свойства
Строение молекул амидов непосредственно влияет на их свойства. Амидная связь в их структуре является планарной. Амиды, как правило, имеют нейтральный (иногда слабокислый) характер. Простые амиды хорошо растворяются в воде. Это обусловлено строением их молекул, в частности, отсутствием длинной углеводородной цепи и наличием сильно электроотрицательного атома азота, а также атомов углерода, способных образовывать водородные связи. При длительном нагревании их водного раствора они превращаются в соли аммония. Амид с самым простым строением — метаноамид — представляет собой жидкость при комнатной температуре. Остальные соединения этой группы имеют твердое агрегатное состояние. Для них характерны относительно высокие температуры плавления и кипения. Их значения значительно превышают таковые у соответствующих им карбоновых кислот. Кроме того, амиды, благодаря строению своей молекулы, проявляют значительную популярность и склонны к ассоциированию, т. е. к соединению отдельных молекул между собой с образованием более крупных кластеров (образование водородных связей).
Учитывая, что амиды мало реакционноспособны, условия, при которых они вступают в химические реакции, должны быть гораздо более жесткими. Превращения, которым подвергаются амиды, — это прежде всего реакции гидролиза. Они протекают в кислой или щелочной среде. В зависимости от реакции, конкретные индивидуальные амиды восстанавливаются до первичных, вторичных или третичных аминов. В реакциях с тионилхлоридом первичные амиды превращаются в нитрилы. Важно отметить, что амиды могут образовывать полимеры, называемые полиамидами. Среди полиамидов наибольшее значение имеет нейлон. Амиды реагируют и с сильными кислотами, давая в качестве продуктов соответствующие соли. Известны и реакции амидов с водородом. При этом образуются амины.
Нейлон
Одним из наиболее важных амидов для развития промышленности, в том числе и химической технологии, оказался нейлон, впервые разработанный в 1935 году. Он является примером полиамида, представляющего собой синтетический макромолекулярный полимер, содержащий в своей структуре амидную группу.
Получение нейлона фактически начинается с перегруппировки Бекмана. Это реакция, в которой первым этапом является синтез амидов, заключающийся в перегруппировке оксимов. Одним из способов осуществления этого процесса является нагревание оксима с кислотой, обладающей сильно протонирующими свойствами. Такой кислотой является, например, серная кислота (VI). Посредством метода перегруппировки Бекмана в промышленных масштабах получают капролактам, который является основным сырьем для производства нейлона (метод полимеризации лактамов). Получаемый нейлон характеризуется рядом свойств, отличающих его от других материалов. В первую очередь он известен своей высокой прочностью и одновременно легкостью в обработке. Кроме того, он устойчив к воздействию химических веществ. К его достоинствам относятся и малая масса, изоляционные и диэлектрические свойства, низкая истираемость и демпфирующие свойства.
В настоящее время нейлон является одним из самых популярных вид пластмасс. Он считается одним из самых универсальных пластиков в мире. Применяется практически во всех отраслях промышленности — от текстильной до аэрокосмической. Производится прежде всего в виде волокон, обладающих очень высокой прочностью по сравнению с другими материалами. В таком виде предназначен для производства нитей, тканей и трикотажа. Нейлоновые волокна можно найти и в коврах, обуви, спецодежде, баскетбольных мячах, парашютах, гитарных струнах, хирургических нитях, купальниках, корпусах электрических розеток и кузовных деталях автомобилей.