Так как амины, являясь производными аммиака, имеют сходное с ним строение (т.е. имеют неподеленную пару электронов в атоме азота), то они и проявляют подобные ему свойства. Т.е. амины, как и аммиак, являются основаниями, так как атом азота может предоставлять электронную пару для образования связи с электроннедостаточными частицами по донорно-акцепторному механизму (соответствие определению основности по Льюису).
I. Свойства аминов как оснований (акцепторов протонов)
1. Водные растворы алифатических аминов проявляют щелочную реакцию, т.к. при их взаимодействии с водой образуются гидроксиды алкиламмония, аналогичные гидроксиду аммония:
CH 3 NH 2 + H 2 O CH 3 NH 3 + + OH −
Анилин с водой практически не реагирует.
Водные растворы имеют щелочной характер:
Связь протона с амином, как и с аммиаком, образуется по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной электронной пары атома азота.
Алифатические амины – более сильные основания, чем аммиак, т.к. алкильные радикалы увеличивают электронную плотность на атоме азота за счет +I -эффекта. По этой причине электронная пара атома азота удерживается менее прочно и легче взаимодействует с протоном.
2. Взаимодействуя с кислотами, амины образуют соли:
C 6 H 5 NH 2 + HCl → (C 6 H 5 NH 3)Cl
хлорид фениламмония
2CH 3 NH 2 + H 2 SO 4 → (CH 3 NH 3) 2 SO 4
сульфат метиламмония
Соли аминов – твердые вещества, хорошо растворимые в воде и плохо растворимы в неполярных жидкостях. При реакции с щелочами выделяются свободные амины:
Ароматические амины являются более слабыми основаниями, чем аммиак, поскольку неподеленная электронная пара атома азота смещается в сторону бензольного кольца, вступая в сопряжение с π-электронами ароматического ядра, что уменьшает электронную плотность на атоме азота (-М-эффект). Напротив, алкильная группа является хорошим донором электронной плотности (+I-эффект)..
или 
Уменьшение электронной плотности на атоме азота приводит к снижению способности отщеплять протоны от слабых кислот. Поэтому анилин взаимодействует лишь с сильными кислотами (HCl, H 2 SO 4), а его водный раствор не окрашивает лакмус в синий цвет.
У атома азота в молекулах аминов есть неподеленная пара электронов, которая может участвовать в образовании связи по донорно-акцепторному механизму.
анилин аммиак первичный амин вторичный амин третичный амин
электронная плотность на атоме азота возрастает.
Из-за наличия в молекулах неподеленной пары электронов амины, как и аммиак, проявляют основные свойства.
анилин аммиак первичный амин вторичный амин
основные свойства усиливаются, из-за влияния типа и числа радикалов.
C 6 H 5 NH 2 < NH 3 < RNH 2 < R 2 NH < R 3 N (в газовой фазе)
II. Окисление аминов
Амины, особенно ароматические, легко окисляются на воздухе. В отличие от аммиака, они способны воспламеняться от открытого пламени. Ароматические амины самопроизвольно окисляются на воздухе. Так, анилин быстро буреет на воздухе вследствие окисления.
4СH 3 NH 2 + 9O 2 → 4CO 2 + 10H 2 O + 2N 2
4C 6 H 5 NH 2 + 31O 2 → 24CO 2 + 14H 2 O + 2N 2
III. Взаимодействие с азотистой кислотой
Азотистая кислота HNO 2 – неустойчивое соединение. Поэтому она используется только в момент выделения. Образуется HNO 2 , как все слабые кислоты, действием на ее соль (нитрит) сильной кислотой:
KNO 2 + HCl → НNO 2 + KCl
или NO 2 − + H + → НNO 2
Строение продуктов реакции с азотистой кислотой зависит от характера амина. Поэтому данная реакция используется для различения первичных, вторичных и третичных аминов.
· Первичные алифатические амины c HNO 2 образуют спирты:
R-NH 2 + HNO 2 → R-OH + N 2 + H 2 O
- Огромное значение имеет реакция диазотирования первичных ароматических аминов под действием азотистой кислоты, получаемой по реакции нитрита натрия с соляной кислотой. А в последствии образуется фенол:
· Вторичные амины (алифатические и ароматические) под действием HNO 2 превращаются в N-нитрозопроизводные (вещества с характерным запахом):
R 2 NH + H-O-N=O → R 2 N-N=O + H 2 O
алкилнитрозамин
· Реакция с третичными аминами приводит к образованию неустойчивых солей и не имеет практического значения.
IV. Особые свойства:
1. Образование комплексных соединений с переходными металлами:
2. Присоединение алкилгалогенидов Амины присоединяют галогеналканы с образованием соли:
Обрабатывая получившуюся соль щелочью, можно получить свободный амин:
V. Ароматическое электрофильное замещение в ароматических аминах (реакция анилина с бромной водой или с азотной кислотой):
В ароматических аминах аминогруппа облегчает замещение в орто- и пара-положениях бензольного кольца. Поэтому галогенирование анилина происходит быстро и в отсутствие катализаторов, причем замещаются сразу три атома водорода бензольного кольца, и выпадает белый осадок 2,4,6-триброманилина:
Эта реакция бромной водой используется как качественная реакция на анилин.
В этих реакциях (бромирование и нитрование) преимущественно образуются орто - и пара -производные.
4. Способы получения аминов.
1. Реакция Гофмана . Один из первых методов получения первичных аминов − алкилирование аммиака алкилгалогенидами:
Это не самый лучший метод, так как в результате получается смесь аминов всех степеней замещения:
и т.д. Алкилирующими агентами могут выступать не только алкилгалогениды, но и спирты. Для этого смесь аммиака и спирта пропускают над оксидом алюминия при высокой температуре.
2. Реакция Зинина - удобный способ получения ароматических аминов при восстановлении ароматических нитросоединений. В качестве восстановителей используются: H 2 (на катализаторе). Иногда водород генерируют непосредственно в момент реакции, для чего обрабатывают металлы (цинк, железо) разбавленной кислотой.
2HCl + Fe (стружка) → FeCl 2 + 2H
C 6 H 5 NO 2 + 6[H] C 6 H 5 NH 2 + 2H 2 O.
В промышленности эта реакция протекает при нагревании нитробензола с водяным паром в присутствии железа. В лаборатории водород "в момент выделения" образуется по реакции цинка со щелочью или железа с соляной кислотой. В последнем случае образуется хлорид анилиния.
3. Восстановление нитрилов. Используют LiAlH 4:
4. Ферментатичное декарбоксилирование аминокислот:
5. Применение аминов.
Амины применяются в фармацевтической промышленности и органическом синтезе (CH 3 NH 2 , (CH 3) 2 NH, (C 2 H 5) 2 NH и др.); при производстве найлона (NH 2 -(CH 2) 6 -NH 2 − гексаметилендиамин); в качестве сырья для производства красителей и пластмасс (анилин), а также пестицидов.
Список используемых источников:
- О.С. Габриелян и др. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных учрждений; Дрофа, Москва, 2005г.;
- «Репетитор по химии» под редакцией А. С. Егорова; «Феникс», Ростов-на-Дону, 2006г;
- Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 10 кл. М., Просвещение, 2001;
- https://www.calc.ru/Aminy-Svoystva-Aminov.html
- http://www.yaklass.ru/materiali?mode=lsntheme&themeid=144
- http://www.chemel.ru/2008-05-24-19-21-00/2008-06-01-16-50-05/193-2008-06-30-20-47-29.html
- http://cnit.ssau.ru/organics/chem5/n232.htm
1. Алкилирование аммиака и аминов галогеналканами (синтез Гофмана) . Эта реакция представляет собой нуклеофильное замещение по поляризованной связи углерод-галоген с замещением последнего атомом азота, обладающим нуклеофильной активностью за счет электронной пары. На примере взаимодействия аммиака с йодистым алкилом видно, что процесс приводит к постепенному замещению всех атомов водорода по схеме:
В результате образуется смесь первичного, вторичного, третичного аминов и четвертичной аммониевой соли. Чаще синтез Гофмана применяют для синтеза третичных аминов и четвертичных солей, поскольку на первых стадиях реакцию обычно остановить не удается.
Так, действие на триметиламин хлористым цетилом приводит к четвертичной аммонийной соли - триметилцетиламмоний хлориду.
Это вещество так же, как и его аналоги с достаточно длинной углеводородной цепочкой (> С 12), обладает моющим действием.
В отличие от обычного мыла такие соединения в поверхностно-активной органической части молекулы несут положительный заряд, а потому называются катионными или инвер-тньши мылами. Инвертные мыла используются в кислой среде. В структуру инвертного мыла можно ввести заместитель, проявляющий антимикробную активность. В этом случае синтезируют бактерицидные мыла, применяемые в хирургической практике. Примером бактерицидного мыла служит бензилдиметилцетиламмоний хлорид. Инвертные мыла можно синтезировать также алкилированием пиридина или других циклических аминов. Так, из пиридина и хлористого цетила получают хлорид цетилпиридиния.
2. Алкилирование аммиака и аминов спиртами. Реакция аминов со спиртами, которая в промышленности осуществляется при нагревании под давлением, идет, как правило, только по первым двум стадиям, например:
Обратимая замена спиртовой группы на аминогруппу играет важную роль в биологических процессах в живых тканях и происходит ферментативным путем.
3. Декарбоксилирование аминокислот также является характерным биохимическим
превращением. В лаборатории его можно осуществить нагреванием в щелочной среде. Особенно легко оно идет под действием микроорганизмов при гниении:
Резкий неприятный запах гниющих белков в основном определяется образованием аминов, а также сероводорода.
Белки состоят из 22 аминокислот, а это означает, что в биосредах присутствует не менее 22 биогенных аминов. На самом деле их значительно больше, так как многие первично образующиеся амины претерпевают дальнейшие трансформации, порождая новые разновидности биогенных аминов, многие из которых являются биорегуляторами.
4. Восстановление азотсодержащих органических соединений. Реакция Зинина (1842 г.) состоит в восстановлении нитросоединений по схеме:
Этой
реакцией Зинин впервые синтезировал
анилин, а также выделил и исследовал
некоторые
промежуточные продукты. Открытие Зинина
играет важную практическую роль, т.к.
на основе анилина развились
анилино-красочная промышленность и
синтез целого ряда новых
лекарственных соединений. Ценны и
промежуточные продукты этого
восстановления
- ароматические нитрозосоединения и
гидроксиламины. Поэтому, по словам
Гофмана, имя
Зинина заслуживает быть записанным
золотыми буквами в историю химии.
Можно получать амины восстановлением и других азотсодержащих органических соединений, в частности, нитрилов, оксимов и амидов:
5. Действие гипобромидов на амиды карбоновых кислот (перегруппировка Гофмана).
Первичные и вторичные амины реагируют с галогенангидридами, ангидридами и сложными эфирами карбоновых кислот с образованием амидов. Все эти реакции надо классифицировать как нуклеофильное замещение у карбонильного sp 2 -гибридного атома углерода, их механизм и применение в синтезе амидов рассмотрено в главе 18.
21.6.3.Взаимодействие первичных и вторичных аминов с карбонильными соединениями. Получение иминов и енаминов,
Альдегиды и кетоны в реакции с первичными и вторичными аминами образуют соответственно имины и енамины (см. главу 16).
Эти реакции следует рассматривать как нуклеофильное присоединение по карбонильной группе.
21.6.4.Взаимодействие аминов с сульфонилгалогенидами. Тест Хинсберга
Первичные и вторичные амины реагируют с сульфонилгалогенидами с образованием сульфамидов.
Механизм образования сульфамидов аналогичен получению амидов из ацилгалогенидов и аминов. Получение сульфамидов лежит в основе универсального теста на первичные, вторичные и третичные амины. Этот простой и очень доступный метод распознавания аминов был предложен в 1890 году Хинсбергом и носит название теста Хинсберга. Смесь исследуемого амина и бензолсульфохлорида С 6 Н 5 SО 2 Сl или п -толуолсульфохлорида встряхивают с избытком холодного водного раствора гидроксида натрия. Через 10-15 минут смесь подкисляют до ярко выраженной кислой реакции. Первичные, вторичные и третичные амины по-разному ведут себя в этом двухстадийном процессе. Первичные амины при взаимодействии с бензолсульфохлоридом дают N-замещенные сульфамиды, которые содержат при атоме азота достаточно "кислый" атом водорода, и растворяются в водной щелочи с образованием гомогенного раствора натриевой соли сульфамида. При подкислении из этого раствора в осадок выпадает нерастворимый в воде N-замещенный сульфамид.
Вторичные амины реагируют с бензолсульфохлоридом в водном растворе щелочи с образованием N,N-дизамещенного сульфамида. Он нерастворим в водной щелочи, т.к. не содержит кислого атома водорода при азоте. Подкисление реакционной смеси в этом случае не вызывает никаких внешних изменений - N,N-дизамещенный сульфамид остается в виде осадка.
Нерастворимый в воде третичный амин не претерпевает изменений при обработке водным раствором щелочи, образующийся первоначально ионнный N-бензолсульфонил-N,N-триалкиламмонийхлорид расщепляется под действием гидроксид-иона до бензолсульфоната натрия и третичного амина:
При подкислении реакционной смеси третичный амин растворяется вследствие образования растворимой в воде соли
Сульфамиды нашли применение в химиотерапии после того, как в 1935 году было обнаружено, что амид сульфаниловой кислоты п -NН 2 С 6 Н 4 SО 2 NН 2 обладает сильным антистрептококковым действием. Это исключительно важное для современной медицины и химиотерапии открытие было сделано совершенно случайно. История его вкратце такова. Дочь одного из сотрудников крупной фирмы, производящей азокрасители, в результате булавочного укола внесла стрептококковую инфекцию. Она была уже практически обречена, когда отец наудачу рискнул дать ей дозу пронтозила - одного из красителей, выпускаемых его фирмой. Ранее пронтозил был с успехом испытан на мышах, где он подавлял рост стрептококков. Спустя короткое время девочка полностью оправилась от болезни, что побудило Э.Фурно в Пастеровском институте в Париже заняться решением этой чудодейственной проблемы. Фурно обнаружил,что в организме человека пронтозил, получивший название красный стрептоцид, расщепляется ферментами до п -аминобензолсульфамида, который и является истинным действующим началом против различных стрептококков, пневмококков и гонококков. Амид сулъфаниловой кислоты получил название лекарственного препарата белый стрептоцид.
Это открытие вызвало лавинообразный поток исследований активности различных пара -аминобензолсульфаниламидов, различающихся лишь природой заместителя Х в п -NН 2 С 6 Н 4 SО 2 NНХ. Из примерно десяти тысяч таких производных, полученных синтетическим путем, в медицинскую практику вошло менее тридцати. Среди них хорошо знакомые по своим торговым названиям лекарственные препараты сульфидин, норсульфазол, сульфадимезин, этазол, сульфадиметоксин, фталазол и др. Некоторые из них были получены до Второй мировой войны и спасли жизнь сотен тысяч людей, подвергшихся воспалительным процессам, вызванным пневмококками и стрептококками после ранения. Ниже приведены некоторые из современных сульфамидных препаратов.
Сульфамидные препараты получают по следующей типовой схеме:
Все эти препараты подобно "чудесной пуле" (термин введен основоположником химиотерапии П.Эрлихом) метко поражают бактерии и не наносят вреда живым клеткам.
Хотя механизм действия лекарственных препаратов в большинстве случаев детально неизвестен, сульфаниламид представляет редкое исключение. Сульфаниламид убивает бактерии, включаясь в биосинтез фолиевой кислоты. Синтез фолиевой кислоты чрезвычайно важен для жизнедеятельности бактерий. Животные клетки сами не способны синтезировать фолиевую кислоту, однако она является необходимым компонентом в их "рационе". Вот почему сульфаниламид токсичен для бактерий, но не для человека.
Фолиевую кислоту можно представить состоящей из трех фрагментов - производного птеридина, молекулы пара -аминобензойной кислоты и глутаминовой кислоты (весьма распространенной аминокислоты). Сульфаниламид мешает биосинтезу фолиевой кислоты, конкурируя с пара -аминобензойной кислотой за включение в молекулу фолиевой кислоты. По своей структуре и размерам сульфаниламид и п -аминобензойная кислота очень близки (рис.21.1), что позволяет молекуле сульфаниламида "ввести в заблуждение" ферменты, отвечающие за связывание всех трех частей молекулы фолиевой кислоты. Таким образом, сульфаниламид занимает место пара -аминобензойной кислоты в "ложной" молекуле фолиевой кислоты, которая не способна выполнять жизненные функции истинной фолиевой кислоты внутри бактерии. В этом и заключается секрет противобакте-риальной активности сульфаниламида и его структурных аналогов.
Рис. 21.1. Структурное подобие пара -аминобензойной кислоты и сульфаниламида
Открытие механизма действия сульфаниламида привело к открытию многих других новых антиметаболитов. Одним из них является метотрексат, обладающий ярко выраженной противоопухолевой активностью. Нетрудно заметить его близкую структурную аналогию с фолиевой кислотой.
Амины - это органические соединения, в которых атом водорода (может и не один) замещен на углеводородный радикал. Все амины делят на:
- первичные амины ;
- вторичные амины ;
- третичные амины .
Есть еще аналоги солей аммония - четвертичные соли типа [R 4 N ] + Cl - .
В зависимости от типа радикала амины могут быть:
- алифатические амины;
- ароматические (смешанные) амины.
Алифатические предельные амины.
Общая формула C n H 2 n +3 N .
Строение аминов.
Атом азота находится в sp 3 -гибридизации. На 4-ой негибридной орбитали находится неподеленная пара электронов, которая обуславливает основные свойства аминов:
Элекронодонорные заместители повышают электронную плотность на атоме азота и усиливают основные свойства аминов, по этой причин вторичные амины являются более сильными основаниями, чем первичные, т.к. 2 радикала у атома азота создают большую электронную плотность, чем 1.
В третичных атомах играет важную роль пространственный фактор: т.к. 3 радикала заслоняют неподеленную пару азота, к которой сложно «подступиться» другим реагентам, основность таких аминов меньше, чем первичных или вторичных.
Изомерия аминов.
Для аминов свойственна изомерия углеродного скелета, изомерия положения аминогруппы:
Как называть амины?
В названии обычно перечисляют углеводородные радикалы (в алфавитном порядке) и добавляют окончание -амин:
Физические свойства аминов.
Первые 3 амина - газы, средние члены алифатического ряда - жидкости, а высшие - твердые вещества. Температура кипения у аминов выше, чем у соответствующих углеводородов, т.к. в жидкой фазе в молекуле образуются водородные связи.
Амины хорошо растворимы в воде, по мере роста углеводородного радикала растворимость падает.
Получение аминов.
1. Алкилирование аммиака (основной способ), который происходит при нагревании алкилгалогенида с аммиаком:
Если алкилгалогенид в избытке, то первичный амин может вступать в реакцию алкилирования, превращаясь во вторичный или третичный амин:
2. Восстановление нитросоединений:
Используют сульфид аммония (реакция Зинина ), цинк или железо в кислой среде, алюминий в щелочной среде или водород в газовой фазе.
3. Восстановление нитрилов. Используют LiAlH 4 :
4. Ферментатичное декарбоксилирование аминокислот:
Химические свойства аминов.
Все амины - сильные основания, причем алифатические более сильные, чем аммиак.
Водные растворы имеют щелочной характер.
Для получения аминов сегодня открыто огромное количество самых разнообразных методов. Наиболее важные из них будут рассмотрены в отдельных главах:
- Прямое алкилирование аммиака и аминов;
- Непрямое алкилирование;
- Восстановительные методы;
- Получение первичных аминов из карбоновых кислот. Перегруппировки Гофмана, Курциуса и Шмидта.
Приведенные методы получения аминов различаются по областям своего применения, по своей доступности и по количеству побочных продуктов. В этой же главе кратко будут рассмотрены общие закономерности получения аминов и некоторые другие специфические пути их получения.
Общие методы получения аминов
Они происходят при реакциях расщепления: амидов (перегруппировка Гофмана), гидроксамовых кислот и их производных (перегруппировка Лоссена), азидов (перегруппировка Курциуса, Шмидта), оксимов, кетонов (перегруппировка Бекмана). Движущей силой этих перегруппировок является образование электронодефицитного атома азота.
Перегруппировка Лоссена
Эта реакция имеет принципиально тот же промежуточный продукт, что и в перегруппировках Гофмана и Курциуса. Для осущиствления такой перегруппировки используют гидроксамовые кислоты и их производные, которые под действием дегидратирующих агентов ($P_2O_5$, $SOCl_2$, полифосфорная кислота и др.) последовательно образуют ацилнитрен, затем - изоцианат и затем - амин.