Карбамат - Carbamate

Химическая структура карбаматов

А карбамат это категория органических соединений, которые формально происходят из карбаминовая кислота (NH2COOH). Термин включает органические соединения (например, сложный эфир этилкарбамат ), формально полученный заменой одного или нескольких водород атомы другими органическими функциональные группы; а также соли с карбаматом анион ЧАС
2NCOO−
 (например. карбамат аммония ).

Полимеры, к звеньям которых присоединены двухвалентный карбаматные группы –NH– (C = O) –O– являются важным семейством пластмассы, то полиуретаны.

Свойства

Хотя карбаминовые кислоты нестабильны, многие карбаматы (ковалентный или ионный ) стабильны и хорошо известны.

Равновесие с карбонатом и бикарбонатом

В водных растворах карбамат-анион медленно уравновешивается аммоний NH+
4 катион и карбонат CO2−
3 или бикарбонат HCO−
3 анионы:[1][2][3]

ЧАС
2NCOO−
 + 2 ЧАС
2О ↔ NH+
4 + HCO−
3 + HO−
2 ЧАС
2NCOO−
 + 2 ЧАС
2О ↔ 2 NH+
4 + 2CO2−
3

Карбамат кальция растворим в воде, тогда как карбонат кальция не является. Добавление кальций соль в раствор карбамата / карбоната аммония немедленно осаждает некоторое количество карбоната кальция, а затем медленно осаждает еще некоторое количество по мере преобразования карбамата.[1]

Синтез

Карбамат аммония

Соль карбамат аммония генерируется лечением аммиак с участием углекислый газ:

2 NH3 + CO2 → NH4[ЧАС2Унтер-офицер2]

Ковалентные карбаматы

Карбаматы также возникают при алкоголизе хлороформамиды:

р2NC (O) Cl + R'OH → R2Унтер-офицер2R '+ HCl

Альтернативно карбаматы могут быть образованы из хлорформиаты и амины:

R'OC (O) Cl + R2NH → R2Унтер-офицер2R '+ HCl

Карбаматы могут образовываться из Перестановка Курция, где изоцианаты образующиеся реагируют со спиртом.

RCON3 → RNCO + N2
RNCO + R'OH → RNHCO2Р'

Естественное явление

В природе диоксид углерода может связываться с нейтральными аминогруппами с образованием карбамата, эта посттрансляционная модификация известна как карбамилирование.[4] Эта модификация, как известно, происходит на нескольких важных белках, см. Примеры ниже.

Гемоглобин

N-концевые аминогруппы валин остатки в α- и β-цепях дезоксигемоглобин существуют как карбаматы. Они помогают стабилизировать белок, когда он становится дезоксигемоглобином, и увеличивают вероятность высвобождения оставшихся кислород молекулы, связанные с белком. Этот стабилизирующий эффект не следует путать с Эффект Бора (косвенное воздействие, вызванное углекислым газом).[5]

Уреаза и фосфотриэстераза

Ε-аминогруппы лизин остатки в уреаза и фосфотриэстераза также содержат карбамат. Карбамат, полученный из аминоимидазола, является промежуточным звеном в биосинтезе инозин. Карбамоилфосфат образуется из карбоксифосфата, а не из CO2.[6]

CO2 захват рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы

Возможно, наиболее важным карбаматом является тот, который участвует в улавливании CO2 по растениям. Этот процесс необходим для их роста. Фермент рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа (RuBisCO) фиксирует молекулу диоксида углерода в виде фосфоглицерата в Цикл Кальвина. В активном центре фермента a Mg2+ ион связан с глутамат и аспартат остатки, а также карбамат лизина. Карбамат образуется, когда незаряженный лизин боковая цепь вблизи иона реагирует с молекулой углекислого газа из воздуха (не молекула углекислого газа субстрата), что затем делает его заряженным и, следовательно, способным связывать Mg2+ ион.[7]

Образование карбамата является критическим этапом в образовании биомассы из атмосферного углекислого газа.

Приложения

Синтез мочевины

Соль карбамат аммония производится в больших масштабах как промежуточное звено в производстве товарной химической продукции. мочевина от аммиак и углекислый газ.

Полиуретановые пластмассы

Основная статья: Полиуретан

Полиуретаны содержат несколько карбаматных групп как часть своей структуры. «Уретан» в названии «полиуретан» относится к этим карбаматным группам; термин «уретановые звенья» описывает, как карбаматы полимеризовать. Напротив, вещество, обычно называемое «уретан», этилкарбамат, не входит в состав полиуретанов и не используется при их производстве. Уретаны обычно образуются в результате реакции алкоголь с изоцианат. Обычно уретаны, полученные неизоцианатным путем, называются карбаматы.

Полиуретан полимеры обладают широким спектром свойств и доступны в продаже в виде пен, эластомеры, и твердые тела. Обычно полиуретановые полимеры получают путем объединения диизоцианатов, например толуолдиизоцианат, и диолы, где карбаматные группы образуются в результате реакции спиртов с изоцианаты:

RN = C = O + R′OH → RNHC (O) OR ′

Карбаматные инсектициды

Карбаматный инсектицид Карбарил.

Так называемый карбамат инсектициды содержат функциональную группу сложного эфира карбамата. В эту группу входят алдикарб (Темик ), карбофуран (Фурадан), карбарил (Севин), этиенокарб, фенобукарб, оксамил, и метомил. Эти инсектициды убивают насекомых, обратимо инактивируя фермент. ацетилхолинэстераза.[8] В органофосфат пестициды также подавляют этот фермент, хотя и необратимо, и вызывают более тяжелую форму холинергического отравления.[9]

Феноксикарб имеет карбаматную группу, но действует как имитатор ювенильного гормона, а не инактивирует ацетилхолинэстеразу.[10]

В средство от насекомых икаридин представляет собой замещенный карбамат.

Карбаматные нервно-паралитические вещества

Хотя ингибиторы карбаматацетилхолинэстеразы обычно называют «карбаматными инсектицидами» из-за их обычно высокой селективности в отношении ферментов ацетилхолинэстеразы насекомых по сравнению с вариантами у млекопитающих, наиболее сильнодействующие соединения, такие как алдикарб и карбофуран все еще способны ингибировать ферменты ацетилхолинэстеразы млекопитающих при достаточно низких концентрациях, которые создают значительный риск отравления для человека, особенно при использовании в больших количествах для сельскохозяйственных целей. Известно, что другие ингибиторы ацетилхолинэстеразы на основе карбамата обладают еще более высокой токсичностью для человека, и некоторые из них, такие как Т-1123 и EA-3990 были исследованы на предмет потенциального использования в военных целях как нервно-паралитические вещества. Однако поскольку все соединения этого типа имеют четвертичная аммониевая группа с постоянным положительным зарядом у них плохой гематоэнцефалический барьер проникновения, а также стабильны только в виде кристаллических солей или водных растворов, и поэтому не считались подходящими для создания оружия.[11][12]

Консерванты и косметика

Йодопропинил бутилкарбамат консервант для дерева и красок, используемый в косметике.[13]

Химические исследования

Некоторые из наиболее распространенных защитных групп амина, такие как BOC, FMOC, КБЗ и Troc карбаматы.

Лекарство

Этилкарбамат

Уретан (этилкарбамат ) когда-то производился коммерчески в Соединенных Штатах как химиотерапия средство и для других лечебных целей. Было обнаружено, что он токсичен и в значительной степени неэффективен.[14] Иногда его используют в ветеринарии.

Карбаматные препараты

Кроме того, некоторые карбаматы используются в организме человека. фармакотерапия, например, ингибиторы ацетилхолинэстеразы неостигмин и ривастигмин, чья химическая структура основан на натуральном алкалоид физостигмин. Другие примеры: мепробамат и его производные, такие как каризопродол, фелбамат, мебутамат, и тибамате, класс анксиолитик и мышцы расслабляет препараты, которые широко использовались в 1960-х годах до появления бензодиазепинов, а в некоторых случаях используются до сих пор. Карбахол в основном используется для различных офтальмологических целей.

В ингибитор протеазы дарунавир для лечения ВИЧ также содержит карбаматную функциональную группу.

Токсичность

Помимо ингибирования ацетилхолинэстеразы человека[15] (хотя и в меньшей степени, чем фермент насекомых), карбаматные инсектициды также воздействуют на рецепторы мелатонина человека.[16]

Аналоги серы

В карбамате два атома кислорода (1), ROC (= O) NR2, и один или оба из них могут быть концептуально заменены на сера. Аналоги карбаматов, в которых только один из атомов кислорода заменен серой, называются тиокарбаматы (2 и 3). Карбаматы, в которых оба атома кислорода заменены серой, называются дитиокарбаматы (4), RSC (= S) NR2.

Есть два разных структурно изомерный виды тиокарбамата:

  • О-тиокарбаматы (2), ROC (= S) NR2, где карбонил группа (C = O) заменяется на тиокарбонил группа (C = S)
  • S-тиокарбаматы (3), RSC (= O) NR2, где группа R – O– заменена группой R – S–

О-тиокарбаматы могут изомеризация к S-тиокарбаматы, например в Перегруппировка Ньюмана – Кварта.Карбаматы-тиокарбаматы-дитиокарбаматы-общие-2D.png

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Берроуз, Джордж Х .; Льюис, Гилберт Н. (1912). «Равновесие между карбонатом аммония и карбаматом аммония в водном растворе при 25 °». Журнал Американского химического общества. 34 (8): 993–995. Дои:10.1021 / ja02209a003.
  2. ^ Clark, K. G .; Gaddy, V. L .; Рист, К. Э. (1933). «Равновесия в системе карбамат аммония-мочевина-вода». Ind. Eng. Chem. 25 (10): 1092–1096. Дои:10.1021 / ie50286a008.
  3. ^ Фабрицио Мани, Маурицио Перуццини и Пьеро Стоппиони (2006): «Поглощение CO2 водными NH
    3     растворы: определение карбамата, бикарбоната и карбоната аммония методом ЯМР 13С ". Зеленая химия, том 8, выпуск 11, страницы 995-1000. Дои:10.1039 / B602051H
  4. ^ Linthwaite, Victoria L .; Янус, Джоанна М .; Браун, Адриан П .; Вонг-Паскуа, Дэвид; О’Донохью, AnnMarie C .; Портер, Эндрю; Треуман, Ахим; Ходжсон, Дэвид Р. У .; Канн, Мартин Дж. (2018-08-06). «Идентификация посттрансляционных модификаций белков, опосредованных диоксидом углерода». Nature Communications. 9 (1): 3092. Дои:10.1038 / s41467-018-05475-z. ISSN  2041-1723. ЧВК  6078960. PMID  30082797.
  5. ^ Ferguson, J. K. W .; Роутон, Ф. Дж. У. (1934-12-14). «Прямая химическая оценка карбаминовых соединений СО2 с гемоглобином». Журнал физиологии. 83 (1): 68–86. Дои:10.1113 / jphysiol.1934.sp003212. ISSN  0022-3751. ЧВК  1394306. PMID  16994615.
  6. ^ Барточек, С .; Vorholt, J. A .; Thauer, R.K .; Geierstanger, B.H .; Гризингер, К. (2001). "N-Карбоксиметанофуран (карбамат) образование из метанофурана и CO2 у метаногенных архей: термодинамика и кинетика спонтанной реакции ». Евро. J. Biochem. 267 (11): 3130–3138. Дои:10.1046 / j.1432-1327.2000.01331.x. PMID  10824097.
  7. ^ Т, Лундквист; G, Шнайдер (1991-01-29). «Кристаллическая структура тройного комплекса рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы, Mg (II) и активатора CO2 при разрешении 2,3-A». Биохимия. 30 (4): 904–8. Дои:10.1021 / bi00218a004. PMID  1899197.
  8. ^ Фукуто, Т. Р. (1990). «Механизм действия фосфорорганических и карбаматных инсектицидов». Перспективы гигиены окружающей среды. 87: 245–254. Дои:10.1289 / ehp.9087245. ЧВК  1567830. PMID  2176588.
  9. ^ Меткалф, Роберт Л. "Контроль над насекомыми". Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Вайнхайм: Wiley-VCH. Дои:10.1002 / 14356007.a14_263.
  10. ^ «Информационный проект по пестицидам: Феноксикарб». Корнелл Университет. Получено 15 июн 2019.
  11. ^ Гупта, Рамеш C (редактор) (2015). Справочник по токсикологии боевых отравляющих веществ. Кембридж, Массачусетс, США: Academic Press. С. 338–339. ISBN  9780128004944.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)
  12. ^ Эллисон Д.Х. Справочник по боевым химическим и биологическим агентам (2-й). CRC Press, 2008. С. 105-139. ISBN  9780849314346
  13. ^ Бадрешия, С. (2002). «Йодопропинилбутилкарбамат». Am. J. Контактный дерматит. 13 (2): 77–79. Дои:10.1053 / ajcd.2002.30728. ISSN  1046-199X. PMID  12022126.
  14. ^ Holland, J. R .; Hosley, H .; Scharlau, C .; Carbone, P.P .; Frei, E., III; Brindley, C.O .; Холл, Т. С .; Шнидер, Б. И .; Gold, G. L .; Лазанья, л .; Оуэнс, А. Х., младший; Миллер, С. П. (1 марта 1966 г.). «Контролируемое испытание уретанового лечения множественной миеломы». Кровь. 27 (3): 328–42. Дои:10.1182 / кровь.V27.3.328.328. ISSN  0006-4971. PMID  5933438. Архивировано из оригинал (бесплатный полный текст) 28 марта 2007 г.. Получено 28 февраля 2010.
  15. ^ Колович, МБ; Krstić, DZ; Лазаревич-Пашти, ТД; Бонджич, AM; Васич, В.М. (2013). «Ингибиторы ацетилхолинэстеразы: фармакология и токсикология». Курр нейрофармакол. 11 (3): 315–35. Дои:10.2174 / 1570159X11311030006. ЧВК  3648782. PMID  24179466.
  16. ^ Поповская-Горевского, М; Дубокович, М.Л .; Раджнараянан, Р. (2017). «Карбаматные инсектициды нацелены на рецепторы мелатонина человека». Chem Res Toxicol. 30 (2): 574–582. Дои:10.1021 / acs.chemrestox.6b00301. ЧВК  5318275. PMID  28027439.