氨基甲酸

氨基甲酸 (Carbamic acid)
國立臺灣師範大學化學系四年級柳向芳

圖一

Carbamic acid的中文名字為氨基甲酸，分子式為CH₃NO₂，分子量約 61.0403 。其英文別名有aminoformic acid、carbonic acid monoamide、ammonia carbon dioxide、 Kohlensaeure-monoamid、Aminoameisensaeure 等幾種。由於其性質相當不穩定，所以有關它的物理及化學性質尚未有很完善的資料，在常溫常壓下它幾乎以鹽類、酯類，或者其他更複雜形式的衍生物存在(圖二)。以carbamic acid 為主體，換掉碳或氮連接的元素，主要有三類(圖三)，分別為 carbamic acid group、carbamate group，以及carbamoyl group。

圖二

圖三

若從具有相同電子數的酸性物質觀點來推測carbamicacid的性質，碳酸(carbonic acid, H₂CO₃)以及醋酸(acetic acid, CH₃COOH)皆符合此條件，這三者的化學組成依序可以看為：CO₂+NH₃；CO₂+H₂O；CO₂+CH₄，由此組成可以做為合成這些化合物的方法。³

單從Carbamic acid的結構式來判斷，其氮原子連接著一個羧基，它亦可被看作是一個醯胺，可以看到它同時具有能讓化合物帶有酸性特質的羧基(-COOH)以及鹼性特質的氨基(-NH₂)，因此它如同胺基酸一樣具有兩性特質，由於carbamic acid的結構比最簡單的氨基酸-甘胺酸(NH₂CH₂COOH)更為簡單，一般認為它為合成胺基酸的重要指標，根據「布忍斯特-羅瑞理論(Brønsted–Lowry theory)」，在較鹼性的環境下，羧基提供質子，因此扮演「布忍斯特-羅瑞酸(Brønsted acid)」，反之在較酸性條件下，氨基會接收質子扮演「布忍斯特-羅瑞鹼(Brønsted base)」。

諾貝爾化學獎得主George A. Olah⁴，他的研究團隊於1998年在Journal of Organic Chemistry發表一篇有關carbamic acid質子化情形的研究，實驗結果發現，將「亞胺脲(Guanidine, CH₅N₃)」、「尿素(Diaminomethanal, (NH₂)₂CO )」、「碳酸(carbonic acid, H₂CO₃)」以及carbamic acid和Magic Acid (FSO₃H:SbF₅; 1:1)，亞胺脲和尿素在低溫下就能形成雙質子化(diprotonated)離子，在相似條件下，carbonic acid(或碳酸)只有單一質子化，因此推測要在以碳為中心向外和三個原子相連的情形下，至少要有兩個原子為氮，才有辦法穩定兩個正電荷，這個結果恰好和氮相較於氧，氮較容易失去電子，所以能更進一步質子化(圖四)。

圖四 質子化之亞胺脲、尿素、碳酸

資料來源
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbamic_acid
2. http://www.ichemistry.cn/cas/Carbamic+acid
3. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, Carbamic acid: molecular structure and IR spectra, Volume 55, Issue 5, May 1999, Pages 961–967 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1386142598002285
4. 1H, 13C, 15N NMR and Theoretical Study of Protonated Carbamic
Acids and Related Compounds, George A. O., Thomas H., Golam R., and G. K. Surya Prakash* , J. Org. Chem. 1998, 63, 7993-7998