Карбаматтар: химиялық құрамы, қасиеттері және қолданылуы
Carbamate
Карбаматтар – органикалық қосылыстар тобы, формуласы R2NC(O)OR. Полиуретандар, тұздар мен эфирлерді қамтиды. Химия, қасиеттері, қолданысы туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
1=Химиялық топ (>N–C(=O)–O–)
1=Chemical group (>N–C(=O)–O–)
Органикалық химияда карбамат – жалпы формуласы R₂NC(O)OR және құрылымы >N\sC(\dO)\sO\s болатын органикалық қосылыстар санаты, олар формальды түрде карбам қышқылынан (NH₂COOH) туындайды. Бұл терминге органикалық қосылыстар (мысалы, этил карбамат эфирі) кіреді, олар формальды түрде сутек атомдарының бірін немесе бірнешеуін басқа органикалық функционалдық топтармен алмастыру арқылы алынады; сондай-ақ карбамат анионын (H₂NCOO⁻) қамтитын тұздар (мысалы, аммоний карбаматы). Карбамат тәрізді топтармен (|NH\sC(\dO)\sO\s) байланысқан қайталанатын бірліктері бар полимерлер – маңызды полимерлер класы, полиуретандар. Түсіндіру үшін Этимология бөлімін қараңыз.
In organic chemistry, a carbamate is a category of organic compounds with the general formula |R2NC(O)OR and structure |>N\sC(\dO)\sO\s, which are formally derived from carbamic acid (|NH2COOH). The term includes organic compounds (e. g., the ester ethyl carbamate), formally obtained by replacing one or more of the hydrogen atoms by other organic functional groups; as well as salts with the carbamate anion |H2NCOO (e. g. ammonium carbamate). Polymers whose repeat units are joined by carbamate like groups |\sNH\sC(\dO)\sO\s are an important family of plastics, the polyurethanes. See Etymology for clarification.
Қасиеттері
Карбам қышқылдары тұрақсыз болғанымен, көптеген карбамат эфирлері мен тұздары тұрақты және кеңінен белгілі.
While carbamic acids are unstable, many carbamate esters and salts are stable and well known.
Гемоглобин
Дезоксигемоглобиннің α және β тізбектеріндегі валин қалдықтарының N-терминалды амин топтары карбаматтар түрінде кездеседі. Олар ақуыз дезоксигемоглобинге айналғанда оны тұрақтандыруға көмектеседі және ақуызға байланысқан қалған оттегі молекулаларының босатылу мүмкіндігін арттырады. Бұл тұрақтандыру әсерін Бор эффектісімен (көмірқышқыл газынан туындайтын жанама әсер) шатастырмау керек.
The N terminal amino groups of valine residues in the α and β chains of deoxyhemoglobin exist as carbamates. They help to stabilise the protein when it becomes deoxyhemoglobin, and increases the likelihood of the release of remaining oxygen molecules bound to the protein. This stabilizing effect should not be confused with the Bohr effect (an indirect effect caused by carbon dioxide).
Уреза және фосфотриэстераза
Уреаза мен фосфотриэстеразадағы лизин қалдықтарының ε-амино топтарында да карбамат кездеседі. Аминоимидазолдан түзілген карбамат инозиннің биосинтезіндегі аралық зат. Карбамоил фосфаты CO2 емес, карбоксифосфаттан пайда болады.
The ε amino groups of the lysine residues in urease and phosphotriesterase also feature carbamate. The carbamate derived from aminoimidazole is an intermediate in the biosynthesis of inosine. Carbamoyl phosphate is generated from carboxyphosphate
rather than CO2.
1,5-бисфосфат карбоксилазамен СО2 алу
Мүмкін, ең көп таралған карбамат – өсімдіктердің CO2-ні сіңіруіне қатысатын карбамат. Бұл процесс олардың өсуі үшін қажет. Рибулоза 1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа (RuBisCO) ферменті Кэлвин циклында көмірқышқыл газының молекуласын фосфоглицерат түрінде бекітеді. Ферменттің белсенді ортасында Mg2+ ионы глутамат және аспартат қалдықтарымен, сондай-ақ лизин карбаматымен байланысады. Карбамат, ионға жақын орналасқан зарядталмаған лизиннің бүйір тізбегі ауадан келген көмірқышқыл газының молекуласымен (субстрат көмірқышқыл газының молекуласы емес) реакцияға түскенде пайда болады, бұл оны зарядталған және, демек, Mg2+ ионымен байланысуға қабілетті етеді.
Perhaps the most prevalent carbamate is the one involved in the capture of CO2 by plants. This process is necessary for their growth. The enzyme ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) fixes a molecule of carbon dioxide as phosphoglycerate in the Calvin cycle. At the active site of the enzyme, a Mg2+ ion is bound to glutamate and aspartate residues as well as a lysine carbamate. The carbamate is formed when an uncharged lysine side chain near the ion reacts with a carbon dioxide molecule from the air (not the substrate carbon dioxide molecule), which then renders it charged, and, therefore, able to bind the Mg2+ ion.
Карбаматты инсектицидтер
Карбаматты инсектицидтерде карбамат эфирінің функционалдық тобы болады. Бұл топқа альдикарб (Темик), карбофуран (Фурадан), карбарил (Севин), этиенокарб, фенобукарб, оксамил және метомил жатады. Бұл инсектицидтер ацетилхолинестераз ферментін қайтымды түрде белсенділігін жойып, жәндіктерді өлтіреді (AChE ингибициясы) (IRAC әрекет механизмі 1a). (ұқсас IRAC әрекет механизмі 1b). Жәндіктерді қорғауға қолданылатын икаридин – алмастырылған карбамат. Олар артроподоцидтер/инсектицидтер ретінде кеңінен қолданылатынымен қатар, нематоцидтік қасиеттері де бар.
The so called carbamate insecticides feature the carbamate ester functional group. Included in this group are aldicarb (Temik), carbofuran (Furadan), carbaryl (Sevin), ethienocarb, fenobucarb, oxamyl, and methomyl. These insecticides kill insects by reversibly inactivating the enzyme acetylcholinesterase (AChE inhibition) (IRAC mode of action 1a). (the similar IRAC MoA 1b). The insect repellent icaridin is a substituted carbamate. Besides their common use as arthropodocides/insecticides, they are also nematicidal.
Қарсылық
Эстеразалардағы мутациялардың арасында карбаматқа төзімділік ең көп кезде ацетилхолинестеразаның (AChE) сезімталдығының төмендеуімен байланысты, ал органофосфатқа төзімділік көбінесе карбоксилэстераза арқылы метаболизмделуімен байланысты.
Among mutations in esterases, carbamate resistance most commonly involves acetylcholinesterase (AChE) desensitization, while organophosphate resistance most commonly is carboxylesterase metabolization.
Карбаматты жүйке заттары
Карбамат ацетилхолинестераз ингибиторлары, әдетте жәндік ацетилхолинестераз ферменттеріне сүтқоректілерге қарағанда жоғары селективтілігі болғандықтан "карбамат инсектицидтері" деп аталатынмен, альдикарб және карбофуран сияқты ең күшті заттар адамдарға улану қаупі бар, әсіресе ауыл шаруашылығында көп мөлшерде қолданғанда, сүтқоректі ацетилхолинестераз ферменттерін жеткілікті төмен концентрацияда тежеуге қабілетті. Карбамат негізіндегі ацетилхолинестераз ингибиторларының адамға уыттылығы одан да жоғары екені белгілі, ал Т 1123 және ЕА 3990 сияқтылары әскери қолдану үшін, жүйкелік заттар ретінде зерттелген. Бірақ, осы типтегі барлық заттарда тұрақты оң зарядты төртінші аммоний тобы болғандықтан, олар қан-ми тосқауылынан нашар өтеді, сондай-ақ тек кристалдық тұздар немесе сулы ерітінділер түрінде ғана тұрақты болады, сондықтан оларды қару ретінде пайдалануға жарамды деп санамады.
While the carbamate acetylcholinesterase inhibitors are commonly referred to as "carbamate insecticides" due to their generally high selectivity for insect acetylcholinesterase enzymes over the mammalian versions, the most potent compounds such as aldicarb and carbofuran are still capable of inhibiting mammalian acetylcholinesterase enzymes at low enough concentrations that they pose a significant risk of poisoning to humans, especially when used in large amounts for agricultural applications. Other carbamate based acetylcholinesterase inhibitors are known with even higher toxicity to humans, and some such as T 1123 and EA 3990 were investigated for potential military use as nerve agents. However, since all compounds of this type have a quaternary ammonium group with a permanent positive charge, they have poor blood–brain barrier penetration, and also are only stable as crystalline salts or aqueous solutions, and so were not considered to have suitable properties for weaponisation.
Консерванттар мен косметика
Иодопропинилбутилкарбамат – ағаш пен бояуды сақтауға арналған зат, сондай-ақ косметикада қолданылады.
Iodopropynyl butylcarbamate is a wood and paint preservative and used in cosmetics.
Химиялық зерттеулер
Кейбір ең көп таралған амин қорғау топтары, мысалы, BOC, FMOC, бензил хлороформат және трихлорэтил хлороформат – карбаматтар болып табылады.
Some of the most common amine protecting groups, such as BOC, FMOC, benzyl chloroformate and trichloroethyl chloroformate are carbamates.
Этил карбаматы
Уретан (этил карбамиті) бір кезде Америка Құрама Штаттарында химиялық терапияға қолданылатын және басқа да медициналық мақсаттар үшін өндірілген. Оның уытты және тиімсіз екені анықталды. Қазірде ветеринарияда басқа дәрілермен бірге анестезия үшін сирек қолданылады.
Urethane (ethyl carbamate) was once produced commercially in the United States as a chemotherapy agent and for other medicinal purposes. It was found to be toxic and largely ineffective. It is occasionally used in veterinary medicine in combination with other drugs to produce anesthesia.
Карбаматты дәрілер
Сонымен қатар, кейбір карбаматтар адамдарда фармакотерапияда қолданылады, мысалы, ацетилхолинестераз ингибиторлары неостигмин және ривастигмин, олардың химиялық құрылымы табиғи алкалоид физостигминге негізделген. Басқа мысалдар: мепробамат және оның карзисопродол, фелбамат, мебутамат, фенпробамат және тибамат сияқты туындылары. Бұл дәрілер 1960 жылдары бензодиазепиндер пайда болғанға дейін кеңінен қолданылатын, мазаны тыныштандыратын және бұлшықеттерді босаңсытатын препараттардың класына жатады, және кейбір жағдайларда қазір де қолданылады. Карбахол негізінен түрлі офтальмологиялық мақсаттарда қолданылады. Сондай-ақ, ВИЧ-ті емдеуге қолданылатын протеаза ингибиторы дарунавирдің құрамында карбамат функционалдық тобы бар. Стимулятор ретінде қолданылатын аминорекс аналогы – эфедроксан да карбаматтар санатына жатады.
In addition, some carbamates are used in human pharmacotherapy, for example, the acetylcholinesterase inhibitors neostigmine and rivastigmine, whose chemical structure is based on the natural alkaloid physostigmine. Other examples are meprobamate and its derivatives like carisoprodol, felbamate, mebutamate, phenprobamate, and tybamate, a class of anxiolytic and muscle relaxant drugs widely used in the 1960s before the rise of benzodiazepines, and still used nowadays in some cases. Carbachol is primarily used for various ophthalmic purposes. The protease inhibitor darunavir for HIV treatment also contains a carbamate functional group. Ephedroxane, an aminorex analogue used as a stimulant, also falls into the carbamate category.
Этимология
"Уретан" және "карбамат" сөздерінің этимологиясы өте ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес. "Уретан" сөзін алғаш рет 1833 жылы француз химигі Жан Батист Дюма қолданған. Дюма былай деп жазды: "Уретан. Сұйық және шоғырланған аммиакпен жанасқан жаңа эфир осы затқа соншалықты күшті әсер етеді, қоспа қайнайды, кейде тіпті жарылыс та болады. Аммиак артық болса, эфирдің бәрі жоғалады. Одан амоний гидрохлориді және қызықты қасиеттері бар жаңа зат түзіледі". "Карбамат" сөзі кейінірек қолданыла бастады, кем дегенде 1849 жылға дейін Генри Медлоктың Дюманың еңбегін сипаттауында кездеседі. Медлок былай деді: "Аммиактың хлор карбонатына (фосгенге) әсерінен этилдік зат түзіледі, оны ашқан Дюма уретан деп атады, ал біз қазір оны карбам қышқылының эфирі деп қарастырамыз". Екі сөздің де түбірі мочевинадан шыққан. Карбамат сөзі азырақ ерекшеленеді, себебі "ate" жұрнағы карбам қышқылының тұзы немесе эфиріне қатысты түсініксіз. Дегенмен, "ate" жұрнағы да нақтырақ, өйткені карбаматтар карбамат қышқылынан немесе карбам қышқылдарынан алынуы керек екенін көрсетеді. Уретан карбамат эфирінің фрагментімен бірдей химиялық құрылымға ие болғанымен, карбам қышқылынан алынбаған уретан карбамат эфирі болып табылмайды. Яғни, карбам қышқылдарынан алынбаған R2NC(=O)OR' (R' ≠ H) фрагментінің кез келген синтезі карбамат эфирі емес, керісінше уретан болады. Сонымен қатар, карбамат эфирлері – уретандар, бірақ барлық уретандар карбамат эфирлері емес. Бұл полиуретандардың жай ғана поликарбамат эфирлері емес екенін көрсетеді, өйткені полиуретандар көбінесе карбам қышқылдарын пайдалана отырып синтезделмейді. IUPAC былай деп мәлімдейді: "Эфирлер көбінесе уретан немесе уретан деп аталады, бұл қатаң түрде тек этил эфирлері үшін ғана дұрыс". Бірақ сондай-ақ: "R2NC(=O)OR' (R' ≠ H) қосылыстарының балама термині, карбам қышқылдарының эфирлері, R,NC(=O)OH, қатаң түрде этил эфирлерімен ғана шектеледі, бірақ жалпы мағынада кеңінен қолданылады" делінген. IUPAC осы мәлімдемелерді сілтемесіз келтіреді.
The etymology of the words "urethane" and "carbamate" are highly similar but not the same. The word "urethane" was first coined in 1833 by French chemist Jean Baptiste Dumas. Dumas states "Urethane. The new ether, brought into contact with liquid and concentrated ammonia, exerts on this substance a reaction so strong that the mixture boils, and sometimes even produces a sort of explosion. If the ammonia is in excess, all the ether disappears. It forms ammonium hydrochlorate and a new substance endowed with interesting properties." The use of the word "carbamate" appears to come later only being traced back to at least 1849, in a description of Dumas's work by Henry Medlock. Medlock states "It is well known that the action of ammonia on chloro carbonate (phosgene) of ethyl gives rise to the formation of the substance which Dumas, the discoverer, called urethane, and which we are now in the habit of considering as the ether of carbamic acid." Both words have roots deriving from urea. Carbamate is less specific because the ate suffix is ambiguous for either the salt or ester of a carbamic acid. However, the ate suffix is also more specific because it suggests carbamates must be derived from the acid of carbamate, or carbamic acids. Although, a urethane has the same chemical structure as a carbamate ester moiety, a urethane not derived from a carbamic acid is not a carbamate ester. In other words, any synthesis of the R2NC(=O)OR' (R' not = H) moiety that does not derive from carbamic acids is not a carbamate ester but instead a urethane. Furthermore, carbamate esters are urethanes but not all urethanes are carbamate esters. This further suggests that polyurethanes are not simply polycarbamate esters because polyurethanes are not typically synthesized using carbamic acids. IUPAC states "The esters are often called urethanes or urethans, a usage that is strictly correct only for the ethyl esters." But also states, "An alternative term for the compounds R2NC(=O)OR' (R' not = H), esters of carbamic acids, R,NC(=O)OH, in strict use limited to the ethyl esters, but widely used in the general sense". IUPAC provides these statements without citation.