§ 13. Амины

Определения и обозначения

Амины — органические производные аммиака, в которых один или несколько атомов водорода заменены углеводородными радикалами. Радикал — часть молекулы углеводорода, оставшаяся после удаления атома водорода. Такое определение помогает представить строение аминов как изменённую молекулу NH₃ и записывать их формулы.

Первичный, вторичный и третичный амин различают по числу углеводородных радикалов, связанных с атомом азота: соответственно один, два или три. Например, CH₃NH₂ — первичный амин, а (CH₃)₂NH — вторичный. Эта классификация нужна, чтобы правильно описывать строение вещества и отличать тип амина от размера его углеродной части.

Алифатические амины содержат радикалы предельных или непредельных углеводородов, а ароматические — радикал, связанный с бензольным кольцом. К первым относится метиламин CH₃NH₂, ко вторым — анилин C₆H₅NH₂. Разделение на эти группы позволяет учитывать, как углеводородная часть молекулы влияет на свойства соединения.

Аминогруппа — функциональная группа −NH₂; в первичных аминах она определяет их характерные химические свойства. Функциональной называют группу атомов, от которой зависят типичные реакции вещества. В аминогруппе находится атом азота с неподелённой электронной парой, поэтому она связана с основными свойствами первичных аминов.

Как это устроено

Строение аминов выводится из строения аммиака NH₃: в нём атом азота связан с тремя атомами водорода. Если один водород заменить радикалом R, получится первичный амин RNH₂; замена двух даёт вторичный R₂NH, а трёх — третичный R₃N. Поэтому формулы показывают, сколько связей азота приходится на радикалы, а сколько — на водород. Такая модель позволяет классифицировать соединение, даже если его формула сложная.

Класс амина определяется числом радикалов у атома азота, а не числом атомов углерода в молекуле. Так, CH₃NH₂ и C₂H₅NH₂ оба первичные: каждый содержит только один радикал при азоте, хотя число атомов углерода различно. Напротив, (CH₃)₂NH — вторичный амин, потому что с азотом связаны два метильных радикала. Подсчёт связей именно у азота исключает путаницу между классом и размером молекулы.

Атом азота в аминах имеет неподелённую электронную пару — пару электронов, не участвующую в образовании связей. Она может притянуть и связать протон H⁺, поэтому амин ведёт себя как основание. Например, метиламин принимает протон от соляной кислоты: CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl. Продукт — соль метиламмония хлорид; образование соли объясняет, почему амин реагирует с кислотой.

Основность аминов зависит от того, насколько доступна электронная пара азота для связывания протона. В анилине C₆H₅NH₂ эта пара частично взаимодействует с бензольным кольцом, поэтому удерживается не только атомом азота и хуже принимает протон. Из-за этого анилин проявляет основные свойства слабее аммиака. Такое влияние строения важно учитывать при сравнении ароматических и алифатических аминов.

Низшие амины обычно растворимы в воде, поскольку их молекулы могут взаимодействовать с молекулами воды; по мере увеличения углеводородной части растворимость уменьшается. Особую реакцию даёт анилин: при добавлении бромной воды образуется малорастворимый 2,4,6-триброманилин, который выпадает в осадок, а окраска бромной воды исчезает. Бензольное кольцо анилина особенно легко вступает в это замещение из-за влияния группы −NH₂. Поэтому появление осадка и обесцвечивание служат признаком анилина.

Классификация аминов и особенности их строения

Чтобы определить класс незнакомого амина, найдите атом азота и посчитайте, сколько углеводородных радикалов связано с ним непосредственно. Буква R обозначает любой такой радикал, поэтому формулы в таблице подходят для целого ряда веществ. Не считайте атомы углерода в радикале: значение имеет только число связей азота с радикалами.

Разбор задач

Задача 1. Определите класс аминов CH₃NH₂, (CH₃)₂NH и (CH₃)₃N. Для ответа не нужно сравнивать число атомов углерода: следует рассмотреть только атом азота. Сначала выделим группы CH₃, непосредственно присоединённые к N, а затем сопоставим их количество с определениями первичного, вторичного и третичного аминов.

1. В CH₃NH₂ к азоту присоединена одна группа CH₃, значит, это первичный амин.
2. В (CH₃)₂NH при азоте находятся две группы CH₃, поэтому это вторичный амин.
3. В (CH₃)₃N три группы CH₃ связаны с азотом, следовательно, это третичный амин.

Ответ: CH₃NH₂ — первичный амин; (CH₃)₂NH — вторичный; (CH₃)₃N — третичный. В каждом случае класс определяется числом радикалов у атома азота. Например, число атомов углерода само по себе не меняет этот вывод.

Задача 2. Составьте уравнение реакции метиламина с соляной кислотой и назовите продукт. Метиламин CH₃NH₂ проявляет основные свойства, потому что неподелённая пара азота связывает протон кислоты. Поэтому в продукте нужно показать переход H⁺ к атому азота, а оставшийся ион Cl⁻ входит в состав соли.

1. Запишите формулы реагентов: CH₃NH₂ и HCl.
2. Перенесите протон от HCl к атому азота: CH₃NH₂ превращается в CH₃NH₃⁺.
3. Соедините этот катион с Cl⁻ и проверьте, что атомы и заряд сбалансированы.

Уравнение: CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl. Продукт называют хлоридом метиламмония; это соль амина и соляной кислоты. В ней азот связан с дополнительным атомом водорода по сравнению с исходным метиламином.

Задача 3. Какой объём брома потребуется для полного взаимодействия 0,10 моль анилина? Запишите уравнение реакции. Предположим, что объём требуется для Br₂ в газообразном состоянии при нормальных условиях, где молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Из уравнения реакции сначала найдём количество брома, а затем переведём его в объём.

1. Запишите уравнение: C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ + 3HBr.
2. По коэффициентам на 1 моль анилина нужны 3 моль Br₂: n(Br₂) = 0,10 · 3 = 0,30 моль.
3. Используйте формулу V = n · Vₘ: V(Br₂) = 0,30 · 22,4 = 6,72 л.

Ответ: потребуется 0,30 моль брома, или 6,72 л его газа при нормальных условиях. Соотношение анилина и Br₂ равно 1:3, поскольку в молекуле продукта три атома водорода бензольного кольца замещаются атомами брома. В водном растворе бром обычно задают количеством вещества, а не объёмом газа.

Типичные ошибки

Ошибка: определять класс амина по числу атомов углерода. Её допускают, потому что при сравнении формул взгляд часто сначала цепляется за углеродный скелет. Проверьте себя: найдите азот и посчитайте только радикалы, связанные с ним непосредственно.

Ошибка: записывать вторичный или третичный амин как производное только одного радикала. Так происходит, если помнить исходный NH₃, но не учитывать, сколько атомов водорода в нём заменено. Проверьте формулу: R₂NH должен содержать два радикала при азоте, а R₃N — три.

Ошибка: объяснять основные свойства аминов только наличием аминогруппы. Это название указывает на часть молекулы, но не показывает, как именно связывается протон. Чтобы проверить объяснение, укажите неподелённую электронную пару атома азота и её способность присоединять H⁺.

Ошибка: считать анилин таким же сильным основанием, как алифатические амины. Можно упустить влияние бензольного кольца и рассматривать только группу −NH₂. Проверьте себя: вспомните, что электронная пара азота частично взаимодействует с кольцом и становится менее доступной для протона, поэтому основность анилина слабее.

Связь с другими темами

Для изучения аминов нужны представления о строении аммиака, углеводородном радикале и функциональной группе. Замещение водорода в NH₃ радикалами помогает вывести формулы первичных, вторичных и третичных аминов. Реакции с кислотами показывают свойства органических оснований и образование солей. Сравнение анилина с другими аминами связывает тему с бензольным кольцом и реакциями ароматических соединений.

Что запомнить

• Амины — производные аммиака с замещёнными атомами водорода.
• Первичные, вторичные и третичные амины различаются числом радикалов у атома азота.
• Атом азота в аминах имеет неподелённую электронную пару.
• Амины проявляют основные свойства и реагируют с кислотами с образованием солей.
• Анилин — ароматический амин и более слабое основание, чем аммиак.
• Анилин обесцвечивает бромную воду с образованием осадка 2,4,6-триброманилина.