20.4 Amín og amíð

Amín og amíð

Námsmarkmið

Þegar þú hefur lokið við þennan kafla getur þú:

Lýst byggingu og eiginleikum amíns
Lýst byggingu og eiginleikum amíðs

Amín (e. amines) eru sameindir sem innihalda kolefnis-nitur efnatengi. Niturfrumeindin í amíni hefur eitt stakt rafeindapar og þrjú efnatengi við aðrar frumeindir, annaðhvort kolefni eða vetni. Ýmis nafnakerfi eru notuð til að leiða út nöfn fyrir amín, en öll fela þau í sér flokkagreiningarviðskeytið –ín eins og sýnt er hér fyrir nokkur einföld dæmi:

Three structures are shown, each with a red, central N atom which has a pair of electron dots indicated in red above the N atoms. The first structure is labeled methyl amine. To the left of the N, a C H subscript 3 group is bonded. H atoms are bonded to the right and bottom of the central N atom. The second structure is labeled dimethyl amine. This structure has C H subscript 3 groups bonded to the left and right of the N atom and a single H atom is bonded below. The third structure is labeled trimethyl amine, which has C H subscript 3 groups bonded to the left, right, and below the central N atom.

Í sumum amínum kemur niturfrumeindin í stað kolefnisfrumeindar í arómatísku kolvetni. Pýridín (Mynd 20.17) er eitt slíkt heteróhringlaga amín. Heteróhringlaga efnasamband inniheldur frumeindir úr tveimur eða fleiri mismunandi frumefnum í hringbyggingu sinni.

A molecular structure is shown. A ring of five C atoms and one N atom is shown with alternating double bonds. Single H atoms are bonded, appearing at the outside of the ring on each C atom. The N atom has an unshared electron pair shown on the N atom on the outer side of the ring. The N atom, electron dot pair, and bonds connected to it in the ring are shown in red. — Mynd 20.17 Myndin sýnir eina af vokmyndum pýridíns.

Hvernig vísindagreinar tengjast

DNA í réttarrannsóknum og faðernismálum

Erfðaefni allra lífvera er fjölliða úr fjórum mismunandi sameindum, sem sjálfar eru samsetningur þriggja undireininga. Erfðaupplýsingarnar, kóðinn fyrir þroskun lífveru, er fólginn í sérstakri röð þessara fjögurra sameinda, svipað og hægt er að raða bókstöfum stafrófsins til að mynda orð sem flytja upplýsingar. Upplýsingarnar í DNA-röð eru notaðar til að mynda tvær aðrar gerðir af fjölliðum, en ein þeirra eru prótein. Próteinin hafa víxlverkun til að mynda sérstaka tegund lífveru með einstökum einkennum.

Erfðasameind er kölluð DNA, sem stendur fyrir deoxýríbósakjarnsýra. Sameindirnar fjórar sem mynda DNA eru kallaðar kirni. Hvert kirni samanstendur af ein- eða tvíhringlaga sameind sem inniheldur nitur, kolefni, súrefni og vetni og er kölluð niturbasi. Hver basi er tengdur við fimm kolefna sykur sem kallast deoxýríbósi. Sykurinn er síðan tengdur við fosfathóp ${({{\text{−PO}}}_{4}^{{\text{3−}}})}$ Þegar nýtt DNA er búið til á sér stað fjölliðunarhvarf sem bindur fosfathóp eins kirnis við sykurhóp annars kirnis. Niturbasar hvers kirnis standa út úr þessum sykur-fosfat burðarás. DNA er í raun myndað úr tveimur slíkum fjölliðum sem eru vafðar hvor um aðra og haldið saman með vetnistengjum milli niturbasanna. Þannig eru burðarásarnir tveir utan á vöfðu strengjapari og basarnir eru að innan. Lögun strengjanna tveggja sem eru vafðir hvor um annan er kölluð tvöfaldur gormur (sjá Mynd 20.18).

Það er líklega skiljanlegt að röð kirna í DNA kattar sé frábrugðin röð kirna í DNA hunds. En það er líka rétt að raðir DNA í frumum tveggja einstakra mops-hunda eru mismunandi. Sömuleiðis eru raðir DNA í þér og systkini þínu mismunandi (nema systkini þitt sé eineggja tvíburi), eins og þær eru milli þín og óskylds einstaklings. Hins vegar eru DNA-raðir tveggja skyldra einstaklinga líkari en raðir tveggja óskyldra einstaklinga og hægt er að sjá þessi líkindi í röð á ýmsan hátt. Þetta er meginreglan á bak við DNA-fingraför, sem er aðferð sem notuð er til að ákvarða hvort tvö DNA-sýni komu frá skyldum (eða sömu) einstaklingum eða óskyldum einstaklingum.

Mynd 20.18 DNA er lífræn sameind og erfðaefni allra lífvera. (a) DNA er tvöfaldur gormur sem samanstendur af tveimur stökum DNA-strengjum sem eru vetnistengdir saman við hvern niturbasa. (b) Þessi smáatriðamynd sýnir vetnistengin (punktalínur) milli niturbasa á hvorum DNA-streng og hvernig hvert kirni er tengt við það næsta og myndar burðarás úr sykrum og fosfathópum meðfram hvorum streng. (c) Þessi smáatriðamynd sýnir byggingu eins af fjórum kirnum sem mynda DNA-fjölliðuna. Hvert kirni samanstendur af niturbasa (tvíhringlaga sameind, í þessu tilfelli), fimm kolefna sykri (deoxýríbósa) og fosfathópi.

Með því að nota líkindi í röðum geta tæknimenn ákvarðað hvort maður sé faðir barns (sjaldan er vafi á hver móðirin er, nema þegar um er að ræða ættleitt barn og hugsanlega kynmóður). Sömuleiðis geta réttarerfðafræðingar ákvarðað hvort sýni af mannsvef af vettvangi glæps, svo sem blóð eða húðfrumur, innihaldi DNA sem passar nákvæmlega við DNA grunaðs manns.

Líkt og ammoníak eru amín veikir basar vegna staka rafeindaparsins á niturfrumeindum þeirra:

Basastig niturfrumeindar amíns gegnir mikilvægu hlutverki í stórum hluta efnafræði efnasambandsins. Amín virknihópar finnast í fjölmörgum efnasamböndum, þar á meðal náttúrulegum og tilbúnum litarefnum, fjölliðum, vítamínum og lyfjum eins og penisillíni og kódeini. Þeir finnast einnig í mörgum sameindum sem eru nauðsynlegar lífinu, svo sem amínósýrum, hormónum, taugaboðefnum og DNA.

Hvernig vísindagreinar tengjast

Ávanabindandi alkalóíðar

Frá örófi alda hafa plöntur verið notaðar í lækningaskyni. Einn flokkur efna, kallaður alkalóíðar, sem finnst í mörgum þessara plantna, hefur verið einangraður og í ljós komið að hann inniheldur hringlaga sameindir með amín virknihópi. Þessi amín eru basar. Þau geta hvarfast við H₃O⁺ í þynntri sýru til að mynda ammóníumsalt og þessi eiginleiki er notaður til að draga þau út úr plöntunni:

R_{3} N + H_{3} O^{+} + {Cl}^{-} ⟶ [R_{3} {NH}^{+}] {Cl}^{-} + H_{2} O

Nafnið alkalóíði þýðir „eins og alkali“. Þannig hvarfast alkalóíði við sýru. Hægt er að endurheimta frjálsa efnasambandið eftir útdrátt með efnahvarfi við basa:

[R_{3} {NH}^{+}] {Cl}^{-} + {OH}^{-} ⟶ R_{3} N + H_{2} O + {Cl}^{-}

Bygging margra náttúrulegra alkalóíða hefur djúpstæð lífeðlisfræðileg og geðvirk áhrif á menn. Dæmi um þessi lyf eru nikótín, morfín, kódein og heróín. Plantan framleiðir þessi efni, sem sameiginlega eru kölluð afleidd plöntuefnasambönd, sem efnavarnir gegn fjölmörgum meindýrum sem reyna að nærast á plöntunni:

Á þessum skýringarmyndum, eins og algengt er við framsetningu á byggingu stórra lífrænna efnasambanda, hefur kolefnisfrumeindum í hringjunum og vetnisfrumeindunum sem tengjast þeim verið sleppt til skýrleika. Heilfleygarnir tákna efnatengi sem standa út úr síðunni. Strikafleygarnir tákna efnatengi sem standa inn í síðuna. Taktu eftir því að litlar breytingar á hluta sameindarinnar breyta eiginleikum morfíns, kódeins og heróíns. Morfín, sem er sterkt fíkniefni notað til að lina sársauka, inniheldur tvo hýdroxýl-virknihópa, staðsetta neðst á sameindinni í þessari byggingarformúlu. Með því að breyta öðrum þessara hýdroxýlhópa í metýleterhóp myndast kódein, sem er veikara lyf notað sem staðdeyfilyf. Ef báðum hýdroxýlhópum er breytt í asetiksýruestera myndast hið mjög ávanabindandi lyf heróín (Mynd 20.19).

Mynd 20.19 Valmúa má nota við framleiðslu á ópíum, plöntumjólkursafa sem inniheldur morfín og úr því er hægt að framleiða önnur ópíöt, svo sem heróín. (heimild: Karen Roe)

Amíð (e. amides) eru sameindir sem innihalda niturfrumeindir tengdar við kolefnisfrumeind karbónýlhóps. Líkt og með amín er hægt að nota ýmsar nafnareglur til að nefna amíð, en allar fela þær í sér notkun á sértækri viðskeytinu -amíð:

This figure shows three structures. Two examples are provided. The basic structure has an H atom or R group bonded to a C atom which is double bonded to an O atom. The O atom as two sets of electron dots. The C atom is bonded to an N atom which in turn is bonded to two R groups or two H atoms. The N atom as one set of electron dots. The next structure includes acetamide, which has C H subscript 3 bonded to a C atom with a doubly bonded O atom. The second C atom is also bonded to N H subscript 2. Hexanamide has a hydrocarbon chain of length 6 involving all single bonds. The condensed structure is shown here. To the sixth C atom at the right end of the chain, an O atom is double bonded and an N H subscript 2 group is single bonded.

Amíð geta myndast þegar karboxýlsýrur hvarfast við amín eða ammóníak í ferli sem kallast amíðun. Vatnssameind er fjarlægð úr efnahvarfinu og amíðið myndast úr þeim hlutum karboxýlsýrunnar og amínsins sem eftir eru (athugaðu líkindin við myndun esters úr karboxýlsýru og alkóhóli sem fjallað var um í fyrri hlutanum):

Efnahvarfið milli amína og karboxýlsýra til að mynda amíð er líffræðilega mikilvægt. Það er með þessu efnahvarfi sem amínósýrur (sameindir sem innihalda bæði amín- og karboxýlsýruhópa) tengjast saman í fjölliðu til að mynda prótein.

Hvernig vísindagreinar tengjast

Prótein og ensím

Prótein eru stórar líffræðilegar sameindir sem samanstanda af löngum keðjum minni sameinda sem kallast amínósýrur. Lífverur reiða sig á prótein fyrir margvísleg hlutverk—prótein flytja sameindir yfir frumuhimnur, afrita DNA og hvata efnaskiptahvörf, svo aðeins fáein hlutverk þeirra séu nefnd. Eiginleikar próteina eru háðir samsetningu amínósýranna sem mynda þau og geta verið mjög breytilegir. Víxlverkanir milli amínósýruraða í keðjum próteina leiða til þess að keðjan fellur saman í sérstakar, þrívíddar byggingar sem ákvarða virkni próteinsins.

Amínósýrur eru lífrænar sameindir sem innihalda amín-virknihóp (–NH₂), karboxýlsýru-virknihóp (–COOH) og hliðarkeðju (sem er sérstök fyrir hverja einstaka amínósýru). Flestar lífverur byggja prótein úr sömu 20 mismunandi amínósýrunum. Amínósýrur tengjast með myndun peptíðtengis, sem er samgilt tengi sem myndast milli tveggja amínósýra þegar karboxýlsýruhópur einnar amínósýru hvarfast við amínhóp hinnar amínósýrunnar. Myndun efnatengisins leiðir til framleiðslu á vatnssameind (almennt eru efnahvörf sem leiða til framleiðslu á vatni þegar tvær aðrar sameindir sameinast nefnd þéttingarhvörf). Efnatengið sem myndast—milli kolefnisfrumeindar karbónýlhópsins og niturfrumeindar amínsins er kallað peptíðtengi. Þar sem hvor upprunalega amínósýran hefur óhvarfaðan hóp (önnur hefur óhvarfað amín og hin óhvarfaða karboxýlsýru), geta fleiri peptíðtengi myndast við aðrar amínósýrur og lengt þannig bygginguna. (Mynd 20.20) Keðja af tengdum amínósýrum er kölluð fjölpeptíð. Prótein innihalda að minnsta kosti eina langa fjölpeptíðkeðju.

Mynd 20.20 Þetta þéttingarhvarf myndar tvípeptíð úr tveimur amínósýrum og leiðir til myndunar vatns.

Ensím eru stórar líffræðilegar sameindir, að mestu samsettar úr próteinum, sem bera ábyrgð á þúsundum efnaskiptaferla sem eiga sér stað í lífverum. Ensím eru mjög sértækir hvatar; þau flýta fyrir hraða tiltekinna efnahvarfa. Ensím virka með því að lækka virkjunarorku efnahvarfsins sem þau hvata, sem getur aukið hraða efnahvarfsins verulega. Flest efnahvörf sem eru hvötuð af ensímum hafa hraða sem er milljón sinnum meiri en óhvataða útgáfan. Eins og allir hvatar eyðast ensím ekki í þeim efnahvörfum sem þau hvata. Ensím eru þó frábrugðin öðrum hvötum að því leyti hversu sértæk þau eru fyrir hvarfefni sín (sameindirnar sem ensím mun breyta í aðra afurð). Hvert ensím getur aðeins flýtt fyrir einu eða fáeinum mjög sértækum efnahvörfum eða tegundum efnahvarfa. Þar sem virkni ensíma er svo sértæk getur skortur á ensími eða vanvirkni þess leitt til alvarlegra heilsufarslegra afleiðinga. Einn sjúkdómur sem er afleiðing vanvirkni ensíms er fenýlketónúría. Í þessum sjúkdómi er ensímið sem hvatar fyrsta skrefið í niðurbroti amínósýrunnar fenýlalaníns ekki virkt (Mynd 20.21). Ef ómeðhöndlað getur þetta leitt til uppsöfnunar fenýlalaníns, sem getur leitt til þroskahömlunar.

Mynd 20.21 Tölvugerð mynd sýnir þrívíddarbyggingu ensímsins fenýlalanínhýdroxýlasa. Í sjúkdómnum fenýlketónúríu veldur galli í lögun fenýlalanínhýdroxýlasa því að það missir virkni sína við að brjóta niður fenýlalanín.

Efnafræði í daglegu lífi

Kevlar

Kevlar (Mynd 20.22) er tilbúin fjölliða framleidd úr tveimur einliðum, 1,4-fenýlen-díamíni og tereftalóýlklóríði (Kevlar er skráð vörumerki DuPont). Efnið var þróað af Stephanie Kwolek þegar hún vann að því að finna efni í stað stáls í dekk. Vinna Kwolek fólst í því að mynda fjölamíð og leysa þau upp í leysum og spinna síðan lausnina sem myndaðist í trefjar. Ein af lausnum hennar reyndist vera nokkuð ólík í útliti og byggingu í fyrstu. Og þegar þær voru spunnar voru trefjarnar sem mynduðust sérstaklega sterkar. Upp úr þessari fyrstu uppgötvun varð Kevlar til. Efnið hefur hátt togstyrkshlutfall miðað við þyngd (það er um það bil 5 sinnum sterkara en jafnþungt stál), sem gerir það gagnlegt fyrir margvíslega notkun, allt frá reiðhjóladekkjum til segla og skotheldra vestja.

Mynd 20.22 Þessi mynd sýnir formúlu fyrir fjölliðuna Kevlar.

Efnið þakkar styrk sinn að miklu leyti vetnistengjum milli fjölliðukeðja (sjá kaflann um víxlverkanir milli sameinda). Þessi efnatengi myndast milli súrefnisfrumeindar karbónýlhópsins (sem hefur neikvæða hlutahleðslu vegna rafneikvæðni súrefnis) á einni einliðu og vetnisfrumeindarinnar með jákvæða hlutahleðslu í N–H efnatengi aðliggjandi einliðu í fjölliðubyggingunni (sjá strikalínu á Mynd 20.23). Viðbótarstyrkur fæst úr víxlverkun milli óblendnaðra p-svigrúma í sexliða hringjunum, sem kallast arómatísk stöflun.

Mynd 20.23 Myndin sýnir fjölliðubyggingu Kevlar, þar sem vetnistengi milli fjölliðukeðja eru sýnd með punktalínum.

Kevlar er kannski best þekkt sem hluti af skotheldum vestum, bardagahjálmum og andlitsgrímum. Frá níunda áratugnum hefur Bandaríkjaher notað Kevlar sem hluta af PASGT (Personal Armor System for Ground Troops) hjálminum og vestinu. Kevlar er einnig notað til að verja brynvarin farartæki og flugmóðurskip. Notkun meðal almennings felur í sér hlífðarfatnað fyrir starfsfólk neyðarþjónustu, svo sem skotheld vesti fyrir lögreglumenn og hitaþolinn fatnað fyrir slökkviliðsmenn. Fatnaður úr Kevlar er talsvert léttari og þynnri en sambærilegur búnaður úr öðrum efnum (Mynd 20.24). Auk Kevlar átti Stephanie Kwolek stóran þátt í þróun Nomex, sem er eldfast efni, og kom einnig að þróun Lycra. Hún varð aðeins fjórða konan sem var tekin inn í National Inventors Hall of Fame og hlaut fjölda annarra verðlauna fyrir mikilvægt framlag sitt til vísinda og samfélags.

Mynd 20.24 (a) Þessir hermenn eru að fara í gegnum hluta úr Kevlar-hjálmi sem hjálpaði til við að draga í sig sprengingu frá handsprengju. Kevlar er einnig notað til að búa til (b) kanóa og (c) festar fyrir skip. (heimild a: breyting á verki eftir „Cla68“/Wikimedia Commons; heimild b: breyting á verki eftir „OakleyOriginals“/Flickr; heimild c: breyting á verki eftir Casey H. Kyhl)

Til viðbótar við þekktari notkun þess er Kevlar einnig oft notað í frosttækni vegna mjög lítillar varmaleiðni (ásamt miklum styrk). Kevlar heldur miklum styrk sínum þegar það er kælt niður í hitastig fljótandi niturs (–196 °C).

Taflan hér tekur saman þær byggingar sem fjallað er um í þessum kafla:

This table provides compound names, structures with functional groups in red, and examples that include formulas, structural formulas, ball-and-stick models, and names. Compound names include alkene, alkyne, alcohol, ether, aldehyde, ketone, carboxylic acid, ester, amine, and amide. Alkenes have a double bond. A formula is C subscript 2 H subscript 4 which is named ethene. The ball-and-stick model shows two black balls forming a double bond and each is bonded to two white balls. Alkynes have a triple bond. A formula is C subscript 2 H subscript 2 which is named ethyne. The ball-and-stick model shows two black balls with a triple bond between them each bonded to one white ball. Alcohols have an O H group. The O has two pairs of electron dots. A formula is C H subscript 3 C H subscript 2 O H which is named ethanol. The ball-and-stick model shows two black balls and one red ball bonded to each other with a single bond. There are four white balls visible. Ethers have an O atom in the structure between two R groups. The O atom has two sets of electron dots. A formula is ( C subscript 2 H subscript 5 ) subscript 2 O which is named ethanal. The ball-and-stick model shows two black balls bonded to a red ball which is bonded to two more black balls. All bonds are single. There are five white balls visible. Aldehydes have a C atom to which a double bonded O and an H and an R are included in the structure. The O atom has two sets of electron dots. A formula is C H subscript 3 C H O which is named Ethanal. The ball-and-stick model shows two black bonds bonded to two red balls. The ball-and-stick model shows two black balls bonded with a single bond and the second black ball forms a double bond with a red ball. There are three white balls visible. Ketones show a C atom to which a double bonded O is attached. The left side of the C atom is bonded to R and the right side is bonded to R prime. The O atom as two sets of electron dots. The formula is C H subscript 3 C O C H subscript 2 C H subscript 3 and is named methyl ethyl ketone. The ball-and-stick models shows four black balls all forming single bonds with each other. The second black ball forms a double bond with a red ball. There are five white balls visible. Carboxylic acids have a C to which a double bonded O and an O H are included in the structure. Each O atom has two sets of electron dots. A formula is C H subscript 3 C O O H which is named ethanoic or acetic acid. The ball-and-stick model shows two black balls and one red ball forming single bonds with each other. The second black ball also forms a double bond with another red ball. Three white balls are visible. Esters have a C atom which forms a double bond with an O atom and single bond with another O atom which has an attached hydrocarbon group in the structure. Each O atom has two sets of electron dots. A formula is C H subscript 3 C O subscript 2 C H subscript 2 C H subscript 3 which is named ethyl acetate. The ball-and-stick model shows two black balls, a red ball, and two more black balls forming single bonds with each other. The second black ball forms a double bond with another red ball. There are five white balls visible. Amines have an N atom in the structure to which three hydrocarbon groups, two hydrocarbon groups and one H atom, or one hydrocarbon group and two H atoms may be bonded. Each n has a single set of electron dots. A formula is C subscript 2 H subscript 5 N H subscript 2 which is named ethylamine. The ball-and-stick model shows two black balls and one blue ball forming single bonds with each other. There are five white balls visible. Amides have a C to which a double bonded O and single N incorporated in a structure between two hydrocarbon groups. One hydrocarbon group is bonded to the C, the other to the N. Amides can also have a H atom bonded to the N. The O atom as two sets of electron dots, and the N atom has one set. A formula is C H subscript 3 C O N H subscript 2 which is named ethanamide or acetamide. The ball-and-stick model shows two black balls and one blue ball forming single bonds with each other. The second black ball forms a double bond with one red ball. There are four white balls visible.