§ 16. Амины. Анилин

Определения и обозначения

Амины — органические производные аммиака, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены углеводородными радикалами. Радикалом называют часть молекулы, остающуюся после удаления атома водорода от углеводорода. Такое определение помогает увидеть связь аминов с аммиаком и понять, откуда в их формулах появляются группы вроде CH₃–.

Аминогруппа — группа атомов –NH₂, –NHR или –NR₂, определяющая характерные свойства аминов. Буквой R обозначают углеводородный радикал, а индекс показывает, сколько таких групп связано с азотом. Узнавая аминогруппу, можно находить амины в формулах и предполагать, какие реакции для них характерны.

Первичные, вторичные и третичные амины различают по числу углеводородных радикалов, связанных с атомом азота. Если радикал один, амин первичный; если два — вторичный; если три — третичный. Эта классификация нужна для систематизации веществ и не зависит от числа атомов водорода во всей молекуле.

Анилин — ароматический амин с формулой C₆H₅NH₂, в котором аминогруппа связана с бензольным кольцом. Слово «ароматический» здесь указывает на наличие бензольного кольца, а не на запах вещества. Строение анилина важно учитывать отдельно: оно влияет и на основные свойства, и на реакции кольца.

Как это устроено

В аммиаке NH₃ при азоте находятся три атома водорода. Когда один из них замещается углеводородным радикалом, образуется первичный амин, например CH₃NH₂; замена второго даёт вторичный амин (CH₃)₂NH, а третьего — третичный (CH₃)₃N. Поэтому тип вещества определяют подсчётом радикалов непосредственно у атома азота: именно этот признак сохраняется при переходе от формулы к формуле.

У атома азота в аминогруппе есть неподелённая электронная пара — пара электронов, не участвующая в образовании связи. Она может связать протон H⁺, поэтому амин принимает его и ведёт себя как основание. В результате реакции с кислотой образуется соль: например, CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl; записывать воду как единственный продукт здесь нельзя, поскольку вода не возникает.

Метиламин относится к аминам жирного ряда: его аминогруппа связана с углеводородным радикалом, а не с бензольным кольцом. В анилине пара электронов азота частично взаимодействует с кольцом и становится менее доступной для присоединения H⁺. Поэтому анилин проявляет основные свойства, но слабее метиламина; это различие связано со строением, а не с отсутствием у азота электронной пары.

Связь аминогруппы с кольцом влияет и на реакцию анилина с бромом. Аминогруппа повышает электронную плотность в кольце, поэтому оно легче вступает в реакцию, чем бензол, и катализатор не требуется. При добавлении бромной воды она обесцвечивается, а выпадает осадок 2,4,6-триброманилина: C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂ + 3HBr.

Амины получают разными способами, один из которых — взаимодействие галогеналкана с аммиаком: CH₃Cl + 2NH₃ → CH₃NH₂ + NH₄Cl. Для получения анилина используют восстановление нитробензола, например водородом: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O. При составлении таких уравнений важно проверить число атомов каждого элемента слева и справа, а также указать образующиеся продукты.

Сравнение метиламина и анилина

Таблица сопоставляет два первичных амина: метиламин и анилин. Сравнивайте не только формулы, но и то, с какой частью молекулы связана аминогруппа. Это помогает объяснить, почему у веществ с похожей группой –NH₂ отличаются основные свойства и реакционная способность кольца.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из формул CH₃NH₂, (CH₃)₂NH и C₆H₅NH₂ относятся к первичным аминам, а какие — к анилинами. Удобно сначала определить количество радикалов при азоте, а затем отдельно проверить наличие бензольного кольца. Эти признаки отвечают на разные вопросы: первый задаёт тип амина, второй — его принадлежность к ароматическим аминам.

1. В CH₃NH₂ с атомом азота связан один радикал CH₃–, значит, это первичный амин.
2. В (CH₃)₂NH к азоту присоединены два радикала CH₃–, поэтому это вторичный амин.
3. В C₆H₅NH₂ у азота один радикал C₆H₅–, следовательно, амин первичный; поскольку этот радикал содержит бензольное кольцо, вещество — анилин.

Ответ: первичные амины — CH₃NH₂ и C₆H₅NH₂; анилин — C₆H₅NH₂. Формула (CH₃)₂NH соответствует вторичному амину.

Задача 2. Составьте уравнения взаимодействия метиламина и анилина с соляной кислотой и назовите продукты. Обе молекулы содержат атом азота с неподелённой электронной парой, поэтому могут присоединить протон кислоты. При записи нужно показать соль, а не заменять продукт водой.

1. У метиламина протон присоединяется к атому азота: CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl.
2. Название продукта — хлорид метиламмония; заряд присоединившегося H⁺ уравновешивается ионом Cl⁻.
3. Для анилина записываем аналогичную схему: C₆H₅NH₂ + HCl → C₆H₅NH₃Cl. Продукт называют хлоридом фениламмония (хлоридом анилиния).

Ответ: образуются соли аминов — хлорид метиламмония и хлорид фениламмония. Основные свойства анилина слабее, но он также реагирует с сильной кислотой.

Задача 3. Какую массу 2,4,6-триброманилина можно получить из 9,3 г анилина при избытке бромной воды, если выход реакции равен 80%? Избыток брома означает, что ограничивающим реагентом является анилин. Сначала найдём теоретическую массу продукта по уравнению, затем учтём выход.

1. Записываем уравнение: C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂ + 3HBr. Соотношение анилина и продукта равно 1:1.
2. Молярная масса анилина M(C₆H₇N) = 93 г/моль, поэтому n = 9,3 / 93 = 0,10 моль. Значит, теоретически образуется 0,10 моль триброманилина.
3. Молярная масса C₆H₄Br₃N равна 330 г/моль. Теоретическая масса продукта: m = 0,10 · 330 = 33 г.
4. При выходе 80% получим 33 · 0,80 = 26,4 г.

Ответ: 26,4 г 2,4,6-триброманилина.

Типичные ошибки

Ошибка — считать амин первичным, если у атома азота остался один атом водорода. Так можно решить, глядя на H в формуле, хотя класс вещества определяет число углеводородных радикалов при азоте. Проверьте себя: выделите азот и посчитайте, сколько групп R непосредственно с ним связано.

Ошибка — считать анилин таким же сильным основанием, как метиламин. Оба вещества принимают протон, но в анилине электронная пара азота взаимодействует с бензольным кольцом и доступна хуже. Чтобы проверить вывод, сравните строение веществ, а не только наличие группы –NH₂.

Ошибка — записывать при взаимодействии амина с кислотой воду как единственный продукт. Такую запись иногда переносят из реакций нейтрализации гидроксидов, но амин не содержит гидроксильной группы, из которой могла бы образоваться вода. Проверьте, что протон присоединён к азоту, и запишите соль с кислотным остатком.

Ошибка — ожидать, что для бромирования анилина нужен катализатор, как для бромирования бензола. Аминогруппа активирует кольцо, поэтому анилин реагирует с бромной водой без катализатора. Признак правильной записи — расход трёх молекул Br₂ на одну молекулу анилина и образование 2,4,6-триброманилина.

Связь с другими темами

Для понимания аминов нужны знания о строении аммиака, углеводородных радикалов и бензольного кольца. Эти представления позволяют правильно читать формулы и определять тип амина. Если трудно распознать замещение водорода радикалом, сначала повторите строение молекулы аммиака.

При решении задач понадобятся навыки составления формул органических веществ и уравнений реакций. Уравнение показывает, какие вещества реагируют и в каком соотношении, а расчёты по нему помогают находить массу продукта. Не забывайте уравнивать число атомов до вычислений.

Амины важны для изучения аминокислот, белков и других азотсодержащих органических соединений. Аминогруппа входит в строение многих веществ, а её способность взаимодействовать с кислотами помогает объяснять их химическое поведение. Поэтому тема служит основой для дальнейшего изучения органической химии.

Что запомнить

• Амины — производные аммиака, в котором атомы водорода замещены углеводородными радикалами.
• Тип амина зависит от числа радикалов, связанных с атомом азота.
• Амины проявляют основные свойства и реагируют с кислотами с образованием солей.
• Формула анилина — C₆H₅NH₂.
• Анилин — ароматический амин; его основные свойства слабее, чем у аминов жирного ряда.
• Анилин обесцвечивает бромную воду с образованием 2,4,6-триброманилина.