Karbaminian - Carbamate
Karbaminian jest kategoria związków organicznych, które formalnie pochodzących od kwasu karbaminowego (NH 2 COOH). Termin obejmuje związki organiczne (np. estry karbaminian etylu ), formalnie otrzymane przez zastąpienie jednego lub większej liczby atomów wodoru innymi organicznymi grupami funkcyjnymi ; oraz sole z anionem karbaminianowym H
2NCOO−
(np. karbaminian amonu ).
Polimery, których jednostki są połączone dwuwartościowymi grupami karbaminianowymi –NH–(C=O)–O– stanowią ważną rodzinę tworzyw sztucznych – poliuretanów .
Nieruchomości
Chociaż kwasy karbaminowe są nietrwałe, wiele karbaminianów ( kowalencyjnych lub jonowych ) jest stabilnych i dobrze znanych.
Równowaga z węglanem i wodorowęglanem
W roztworach wodnych anion karbaminianowy powoli równoważy się z amonem NH+
4kation i węglan CO2
3lub wodorowęglan HCO−
3 aniony:
-
h
2NCOO−
+ 2 godz
2O ↔ NH+
4+ HCO−
3+ HO−
- 2 godz
2NCOO−
+ 2 godz
2O 2 NH+
4+ 2 CO2
3
Karbaminian wapnia jest rozpuszczalny w wodzie, natomiast węglan wapnia nie. Dodanie soli wapnia do roztworu karbaminianu/węglanu amonu spowoduje natychmiastowe wytrącenie pewnej ilości węglanu wapnia, a następnie powolne wytrącenie większej ilości w miarę konwersji karbaminianu.
Synteza
Karbaminian amonu
Sól karbaminianu amonu jest wytwarzany poprzez traktowanie amoniaku z dwutlenkiem węgla :
- 2 NH 3 + CO 2 → NH 4 [H 2 NCO 2 ]
Karbaminiany kowalencyjne
Karbaminiany powstają również w wyniku alkoholizy chloroformamidów :
- R 2 NC (O) CI + R'OH → R 2 NCO 2 R + HCl
Alternatywnie, karbaminiany można wytworzyć z chloromrówczanów i amin :
- R'OC(O)Cl + R 2 NH → R 2 NCO 2 R' + HCl
Karbaminiany mogą powstawać z przegrupowania Curtiusa , gdzie powstałe izocyjaniany poddaje się reakcji z alkoholem.
- Rcon 3 → RNCO + n 2
- RNCO + R'OH → RNHCO 2 R
Naturalne występowanie
W naturze dwutlenek węgla może wiązać się z obojętnymi grupami aminowymi, tworząc karbaminian, ta modyfikacja potranslacyjna jest znana jako karbamylacja. Wiadomo, że ta modyfikacja występuje na kilku ważnych białkach; zobacz przykłady poniżej.
Hemoglobina
N-końcowe grupy aminowe reszt waliny w łańcuchach α i β deoksyhemoglobiny występują jako karbaminiany. Pomagają stabilizować białko, gdy staje się dezoksyhemoglobiną i zwiększają prawdopodobieństwo uwolnienia pozostałych cząsteczek tlenu związanych z białkiem. Tego efektu stabilizującego nie należy mylić z efektem Bohra (efekt pośredni wywołany dwutlenkiem węgla).
Ureaza i fosfotriesteraza
Grupy ε-aminowe reszt lizynowych w ureazie i fosfotriesterazie również zawierają karbaminian. Karbaminian pochodzący z aminoimidazolu jest produktem pośrednim w biosyntezie inozyny . Fosforan karbamoilu uzyskane z carboxyphosphate niż CO 2 .
Wychwytywanie CO 2 przez karboksylazę 1,5-bisfosforanową rybulozy
Być może najważniejszym karbaminianem jest ten, który bierze udział w wychwytywaniu CO 2 przez rośliny. Ten proces jest niezbędny do ich wzrostu. Enzym karboksylaza/oksygenaza 1,5-bisfosforanu rybulozy (RuBisCO) wiąże cząsteczkę dwutlenku węgla jako fosfoglicerynian w cyklu Calvina . W miejscu aktywnym enzymu jon Mg 2+ jest związany z resztami glutaminianu i asparaginianu , a także z karbaminianem lizyny. Karbaminian powstaje, gdy nienaładowany łańcuch boczny lizyny w pobliżu jonu reaguje z cząsteczką dwutlenku węgla z powietrza ( nie z cząsteczką dwutlenku węgla substratu), co następnie nadaje mu ładunek, a tym samym zdolność do wiązania jonu Mg 2+ .
Aplikacje
Synteza mocznika
Sól karbaminian amonu jest produkowana na dużą skalę jako półprodukt do produkcji mocznika jako towar chemiczny z amoniaku i dwutlenku węgla .
Tworzywa poliuretanowe
Poliuretany zawierają wiele grup karbaminianowych jako część swojej struktury. „Uretan” w nazwie „poliuretan” odnosi się do tych grup karbaminianowych; termin „łącza uretanowe” opisuje sposób polimeryzacji karbaminianów . Natomiast substancja potocznie nazywana „uretanem”, karbaminian etylu , nie jest ani składnikiem poliuretanów, ani nie jest wykorzystywana do ich produkcji. Uretany powstają zwykle w reakcji alkoholu z izocyjanianem . Powszechnie uretany wytwarzane drogą nieizocyjanianową nazywane są karbaminianami .
Polimery poliuretanowe mają szeroki zakres właściwości i są dostępne w handlu jako pianki, elastomery i ciała stałe. Zazwyczaj polimery poliuretanowe powstają przez łączenie diizocyjanianów, np. diizocyjanianu toluenu , oraz dioli , gdzie grupy karbaminianowe powstają w reakcji alkoholi z izocyjanianami :
- RN=C=O + R′OH → RNHC(O)OR′
Insektycydy karbaminianowe
Tak zwane insektycydy karbaminianowe zawierają grupę funkcyjną estru karbaminianowego. Do tej grupy należą aldikarb ( Temik ), karbofuran (Furadan), karbaryl (Sevin), etienokarb , fenobukarb , oksamyl i metomyl . Te insektycydy zabijają owady poprzez odwracalną inaktywację enzymu acetylocholinoesterazy ( tryb działania IRAC 1a). W fosforoorganiczne pestycydy również hamować ten enzym, ale w sposób nieodwracalny, i spowodować poważniejsze formy zatrucia cholinergicznych (podobny 1b IRAC MoA).
Fenoksykarb ma grupę karbaminianową, ale działa raczej jako naśladujący hormon młodzieńczy niż dezaktywujący acetylocholinoesterazę.
Środek odstraszający owady ikarydyna jest podstawionym karbaminianem.
Środki na nerwy karbaminianowe
Podczas gdy inhibitory acetylocholinesterazy karbaminianowej są powszechnie określane jako „insektycydy karbaminianowe” ze względu na ich ogólnie wysoką selektywność wobec enzymów owadzich acetylocholinesterazy w porównaniu z wersjami ssaczymi, najsilniejsze związki, takie jak aldikarb i karbofuran, są nadal zdolne do hamowania enzymów acetylocholinesterazy ssaków przy wystarczająco niskich stężeniach że stwarzają znaczne ryzyko zatrucia ludzi, zwłaszcza gdy są używane w dużych ilościach do zastosowań rolniczych. Inne inhibitory acetylocholinesterazy oparte na karbaminianie są znane z jeszcze wyższej toksyczności dla ludzi, a niektóre, takie jak T-1123 i EA-3990, były badane pod kątem potencjalnego zastosowania wojskowego jako środki nerwowe . Ponieważ jednak wszystkie związki tego typu mają czwartorzędową grupę amonową z trwałym ładunkiem dodatnim, mają słabą penetrację bariery krew-mózg , a także są stabilne tylko jako sole krystaliczne lub roztwory wodne, a zatem nie uznano, że mają odpowiednie właściwości do uzbrojenie.
Konserwanty i kosmetyki
Butylokarbaminian jodopropynylu jest środkiem konserwującym drewno i farby, stosowanym w kosmetyce.
Badania chemiczne
Niektóre z wielu grup zabezpieczających wspólny amin, takie jak BOC , FMOC , Cbz i Troc są karbaminiany.
Medycyna
Karbaminian etylu
Uretan ( karbaminian etylu ) był kiedyś produkowany komercyjnie w Stanach Zjednoczonych jako środek chemioterapeutyczny i do innych celów leczniczych. Stwierdzono, że jest toksyczny i w dużej mierze nieskuteczny. Jest sporadycznie stosowany jako lek weterynaryjny.
Leki karbaminianowe
Ponadto w farmakoterapii człowieka wykorzystywane są niektóre karbaminiany , np. inhibitory acetylocholinesterazy neostygmina i rywastygmina , których budowa chemiczna oparta jest na naturalnym alkaloidzie fizostygminie . Innymi przykładami są meprobamat i jego pochodne, takie jak karisoprodol , felbamatu , mebutamate i tybamat , klasy przeciwlękowe i mięśni zwiotczających leków powszechnie stosowanych w 1960 roku przed powstaniem benzodiazepin, i nadal stosowane obecnie w niektórych przypadkach. Karbachol jest używany głównie do różnych celów okulistycznych.
Inhibitora proteazy darunawiru leczeniu HIV zawiera również karbaminianową grupą funkcyjną.
Efedroksan również pasuje do pleśni, jaką jest z tej grupy.
Toksyczność
Oprócz hamowania ludzkiej acetylocholinesterazy (chociaż w mniejszym stopniu niż enzym owadzi), insektycydy karbaminianowe działają również na ludzkie receptory melatoniny.
Analogi siarki
W karbaminianie ( 1 ) znajdują się dwa atomy tlenu , ROC(=O)NR 2 , a jeden lub oba mogą być koncepcyjnie zastąpione siarką . Analogi karbaminianów z tylko jednym tlenem zastąpionym siarką nazywane są tiokarbaminianami ( 2 i 3 ). Karbaminiany z obydwoma tlenami zastąpionymi siarką nazywane są ditiokarbaminianami ( 4 ), RSC(=S)NR 2 .
Istnieją dwa różne strukturalnie izomeryczne typy tiokarbaminianu:
- O -tiokarbaminiany ( 2 ), ROC(=S)NR 2 , gdzie grupa karbonylowa (C=O) jest zastąpiona grupą tiokarbonylową (C=S)
- S -tiokarbaminiany ( 3 ), RSC(=O)NR 2 , gdzie grupę R–O– zastąpiono grupą R–S–
O -tiokarbaminiany mogą izomeryzować do S -tiokarbaminianów, na przykład w przegrupowaniu Newmana-Kwarta .
