Αζετιδίνη

Η αζετιδίνη (αγγλικά azetidine) είναι οργανική χημική ένωση, με μοριακό τύπο C₃H₇N, αν και συνήθως παριστάνεται με το γραμμικό τύπο της, . Πιο συγκεκριμένα, ανήκει στις ετεροκυκλικές αμίνες. Το μόριό του αποτελείται από έναν τετραμελή δακτύλιο, με τρία (3) άτομα άνθρακα και ένα (1) άτομο αζώτου. Η χημικά καθαρή αζετιδίνη, στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, είναι υγρό με οσμή που μοιάζει με αυτήν της αμμωνίας. Εκτός από τη «μητρική» ένωση, ο όρος αζετιδίνη μπορεί, επίσης, να αναφέρεται (γενικότερα) σε μια σειρά «θυγατρικών» ή «υποκατεστημένων» παραγώγων ενώσεων, αρκεί να περιέχουν έναν (τουλάχιστον) αζετιδινικό δακτύλιο, δηλαδή τετραμελή δακτύλιο με τρία (3) άτομα άνθρακα, ένα (1) άτομο αζώτου και κανένα διπλό δεσμό (στο δακτύλιο).

Ισομέρεια

Με βάση το μοριακό τύπο του, C₃H₇N, η αζετιδίνη έχει τα ακόλουθα 11 ισομερή θέσης:

1. 1-προπεν-1-αμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₃CH=CHNH₂ (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
2. 1-προπεν-2-αμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₂=CHCH₂NH₂.
3. 2-προπεναμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₃C(NH₂)=CH₂.
4. N-μεθυλαιθεναμίνη ή βινυλομεθυλαμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₃NHCH=CH₂.
5. 1-προπανιμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₃CH₂CH=NH.
6. 2-προπανιμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₃C(=NH)CH₃.
7. N-μεθυλαιθανιμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₃N=CHCH₃.
8. Ν-αιθυλομεθανιμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: CH₂=NCH₂CH₃.
9. Κυκλοπροπαναμίνη με σύντομο συντακτικό τύπο: .
10. 2-μεθυλαζιριδίνη ή 1,2-επαζωπροπάνιο με σύντομο συντακτικό τύπο .
11. N-μεθυλαζιριδίνη ή Ν-μεθυλεπαζαιθάνιο με σύντομο συντακτικό τύπο .

Φυσική παρουσία

Οι αζετιδίνες, «μητρική» και «θυγατρικές», δεν βρίσκονται συχνά στη φύση και έχουν μελετηθεί πολύ λιγότερο από χημικά συγγενικές ενώσεις, όπως η πυρρολιδίνη και η β-λακτάμη. Η παρουσία τους είναι σπάνια σε φυσικά προϊόντα. Σημειώστε, όμως, ότι είναι κομβικό συστατικό των μουγκινεϊκών οξέων και των πεναρεσιδινών. Ίσως η πιο άφθονη αζετιδίνη που περιέχεται σε φυσικό προϊόν είναι η 2-καρβοξυαζετιδίνη, ένα μη πρωτεϊνικό ετεροκυκλικό αμινοξύ, ομόλογο της προλίνης.

Παραγωγή

Συνηθισμένη μέθοδος

Η μητρική αζετιδίνη παράγεται, συνήθως, με κυκλοποίηση 1,3-διβρωμοπροπάνιου με τοσυλαμίδιο (Ts-NH₂):

$\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{+}\mathrm{T}\mathrm{s}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\underset{+H_2-2KBr-2H_{2}O}{\overset{+2KOH}{\to }}\mathrm{T}\mathrm{s}\mathrm{H}\mathrm{+}$

Αρχικά παράγεται N-τοσυλαζετιδίνη, αλλά αυτή ανάγεται με υδρογόνο που παράγεται με την επίδραση μεταλλικού νατρίου σε αιθανόλη.

Εναλλακτικές μέθοδοι

1. Η αζετιδίνη μπορεί να παραχθεί με φωτοχημική αντίδραση αιθενίου και μεθανιμίνης (Εφαρμογή αντίδρασης Paterno–Büch). Ουσιαστικά είναι η αντίστροφη αντίδραση της πυρόλυσης αζετιδίνης, που αναφέρεται παρακάτω:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{=}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{=}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{hv}{\to }$

2. Η αζετιδίνη μπορεί να παραχθεί με επίδραση υδροχλώριου σε 1,3-προπανοδιαμίνη:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\stackrel{}{\to }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}$

Φασματοσκοπικές ιδιότητες

Στο φάσμα NMR της αζετιδίνης οι πολλαπλές κορυφές για τα α- και β- άτομα υδρογόνου εμφανίζονται στα 3,5 και 2,3 δ, ενώ το ιμινικό άτομο υδρογόνου εμφανίζεται στα 4,0 δ. Στο φάσμα μαζών τα θραύσματα της αζετιδίνης είναι CH₂=CH₂^ɿ+• και CH₂=NH^+• →CH≡NH⁺+H^•.

Χημική συμπεριφορά και παράγωγα

Η αζετιδίνη δρα ως μέτρια βάση, ισχυρότερη από τις περισσότερες άλλες δευτεροταγείς αμίνες, επειδή το μονήρες ηλεκτρονιακό ζεύγος του ατόμου του αζώτου σε αυτήν έχει μικρότερη στερεοχημική παρεμπόδιση, αλλά δίνει και αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης, όπως η αζιριδίνη.

Αντιδράσεις ως δευτεροταγής αμίνη

N-ακυλίωση

Αντιδρά με ακυλαλογονίδια (RCOX), παράγοντας N-ακυλαζετιδίνη:

$\mathrm{+}\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{X}\stackrel{}{\to }\mathrm{H}\mathrm{X}\mathrm{+}$ N-ακυλαζετιδίνη

Ν-αλογόνωση

Αντιδρά με υπαλογονώδη άλατα (π.χ. NaOX), όπου X: Cl, Br ή I, παράγοντας N-αλαζετιδίνη:

$\mathrm{+}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{X}\stackrel{}{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}$ N-αλαζετιδίνη

N-λιθίωση

Αντιδρά με το μεθυλολίθιο (CH₃Li), παράγοντας N-λιθιαζετιδίνη και μεθάνιο:

$\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{L}\mathrm{i}\stackrel{}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\uparrow }\mathrm{+}$ Ν-λιθιαζετιδίνη

N-αλκυλίωση

Στην περίπτωση της αλκυλίωσης, με επίδραση (περίσσειας) αλκυλαλογονιδίων (RX), διανοίγεται ο τετραμελής δακτύλιος δίνοντας άκυκλη 2-αλο-Ν,Ν-διαλκυλo-1-προπαναμίνη ή και αλογονούχο 2-αλο-Ν,Ν-τριαλκυλο-1-προπαναμμώνιο:

$\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{R}\mathrm{X}\stackrel{-HX}{\to }\mathrm{X}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{R}}_{\mathrm{2}}\stackrel{+RX}{\to }\mathrm{[}\mathrm{X}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{R}}_{\mathrm{3}}\mathrm{]}\mathrm{X}$

Αντιδράσεις κυκλοδιάνοιξης με 1,4-προσθήκη

Οι πιο ενδιαφέρουσες αντιδράσεις κυκλοδιάνοιξης με 1,4-προσθήκη υδροχλώριου (HCl) και η 1,4-προσθήκη βρωμοκυάνιου (BrCN):

$\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\stackrel{}{\to }\mathrm{[}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{]}\mathrm{C}\mathrm{l}$
$\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}\mathrm{N}\stackrel{}{\to }\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}$

Το τελευταίο παράγωγο, δηλαδή το 3-βρωμοπροπυλαμινομεθανονιτρίλιο, μπορεί να υδρολυθεί, παράγοντας 3-βρωμοπροπυλαμινομεθανικό οξύ. Με τη σειρά του, το τελευταίο, με αποκαρβοξυλίωση δίνει 3-βρωμο-1-προπαναμίνη:

$\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{}{\to }\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$
$\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Άλλες ενδιαφέρουσες αντιδράσεις 1,4-προσθήκης είναι οι ακόλουθες:

Αναγωγή με υδρογόνο

Με επίδραση υδρογόνου, παρουσία λευκοχρύσου, παράγεται 1-προπαναμίνη:

$\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{Pt}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

1,4-προσθήκη φαινόλης

Με επίδραση φαινόλης σε αζετιδίνη παράγεται 3-φαινοξυ-1-προπαναμίνη:

$\mathrm{+}\mathrm{P}\mathrm{h}\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{}{\to }\mathrm{P}\mathrm{h}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

1,4-προσθήκη 1,2-αιθανοδιαμίνης

Με επίδραση 1,2-αιθανοδιαμίνης σε αζετιδίνη παράγεται N-(2-αμιναιθυλο)-1,3-προπανοδιαμίνη:

$\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{}{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Πυρόλυση

Με πυρόλυση αζετιδίνης παράγεται αιθένιο και μεθανιμίνη:

$\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{=}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{=}\mathrm{N}\mathrm{H}$

Επίδραση καρβενίων

• Η αζετιδίνη έχει 3 κατηγορίες δεσμών C-Η και Ν-Η για παρεμβολή καρβενίων, όπως το μεθυλένιο, οπότε σε τέτοιου είδους επίδραση (δηλαδή με μεθυλένιο ή άλλο καρβένιο) προκύπτουν τρία (3) προϊόντα παρεμβολής. Επειδή τα καρβένια είναι πολύ δραστικά, η αναλογία των προϊόντων που προκύπτει είναι, κατά προσέγγιση, η ακόλουθη:

1. 4/7 2-μεθυλαζετιδίνη.
2. 2/7 3-μεθυλαζετιδίνη.
3. 1/7 N-μεθυλαζετιδίνη.

Πηγές πληροφόρησης

1. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
2. «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
3. Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
4. Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ ΈκδοσηΘεσσαλονίκη 1991
5. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
6. Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
7. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986
8. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη: «Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
9. Διαδικτυακοί τόποι που αναφέρονται στις «Αναφορές και παρατηρήσεις».