§ 26. Амины. Общая характеристика класса

Определения и обозначения

Амины — органические соединения, которые рассматривают как производные аммиака, где один или несколько атомов водорода заменены углеводородными радикалами. Радикал — часть молекулы, образовавшаяся при удалении атома водорода от углеводорода; его часто обозначают буквой R. Такое представление помогает увидеть в строении амина знакомую молекулу NH₃ и понять, какие её части изменились.

Аминогруппа — группа атомов −NH₂. Она характерна для первичных аминов, в которых у азота один углеводородный радикал и два атома водорода. У вторичных аминов вместо −NH₂ фрагмент −NH−, а у третичных при азоте нет атомов водорода, но все три вещества относятся к аминам. Поэтому название класса определяется строением производного аммиака, а не обязательным присутствием группы −NH₂.

Первичные, вторичные и третичные амины — соединения, в которых с атомом азота связаны соответственно один, два или три углеводородных радикала. Их общие структурные формулы записывают как RNH₂, R₂NH и R₃N; R здесь может обозначать одинаковые или разные радикалы. Эта классификация показывает, сколько связей азот образует с углеводородными частями, и позволяет правильно определить тип вещества по формуле.

Алифатические и ароматические амины — соединения, в которых с атомом азота связан соответственно алифатический радикал или ароматическое ядро. Метиламин CH₃NH₂ — алифатический амин, потому что азот связан с метильным радикалом, а анилин C₆H₅NH₂ — ароматический, так как он непосредственно связан с бензольным кольцом. Для классификации важно именно то, что находится рядом с азотом.

Как это устроено

В молекуле аммиака NH₃ атом азота связан с тремя атомами водорода. Если один из водородов заменить углеводородным радикалом, получится первичный амин; замена двух или трёх водородов даёт вторичный или третичный амин. Так связь между классом аминов и аммиаком объясняется изменением его молекулы, а не присоединением отдельной группы к неизменному NH₃. Например, CH₃NH₂ можно представить как NH₃, где один H заменён на CH₃.

Количество радикалов при азоте определяет тип амина независимо от длины каждого радикала. В CH₃NH₂ азот связан с одним радикалом CH₃, поэтому амин первичный; в (CH₃)₂NH связаны два метильных радикала, поэтому он вторичный. В (CH₃)₃N при азоте три радикала, и это третичный амин. При подсчёте учитывают именно углеводородные части, присоединённые непосредственно к азоту.

Различие между алифатическими и ароматическими аминами также видно по связи у атома азота. В метиламине CH₃NH₂ к азоту присоединён алифатический метильный радикал, а в анилине C₆H₅NH₂ — ароматическое кольцо. Если кольцо соединено с азотом через углеродную цепь, непосредственный сосед азота уже не ароматическое ядро, поэтому такое соединение нельзя классифицировать только по наличию кольца в молекуле. Нужно проследить, к какому фрагменту присоединён азот.

У атома азота есть неподелённая электронная пара — пара электронов, не участвующая в образовании обычной связи. Она может взаимодействовать с частицей, способной принять эту пару, например с протоном H⁺. Поэтому амины проявляют основные свойства: они способны присоединять протон. Это свойство связано с электронной структурой азота, а не с тем, есть ли в формуле фрагмент −NH₂.

Физические свойства зависят от размера и строения молекул. Низшие амины, содержащие небольшие углеводородные радикалы, часто являются газами или летучими жидкостями; с увеличением молекулярной массы вещества обычно становятся менее летучими и могут быть жидкостями или твёрдыми веществами. Для многих аминов характерен резкий, иногда напоминающий запах рыбы. Вода хорошо взаимодействует с полярными участками молекулы: первичные и вторичные амины могут образовывать с ней водородные связи, третичные — принимать их от воды, но не отдавать. По мере увеличения неполярной углеводородной части растворимость обычно снижается.

Общая характеристика аминов

Сначала по формуле найдите атом азота и посчитайте радикалы, связанные с ним напрямую: это определит столбец. Затем проверьте число атомов водорода именно при азоте, а не во всей молекуле. Последняя строка показывает, что все типы могут взаимодействовать с водой, но способности отдавать водородную связь у них различаются.

Разбор задач

Задача 1. Определить, к какому классу аминов относится CH₃NH₂, и назвать число радикалов при атоме азота.

1. Находим атом азота в формуле: это N.
2. Смотрим, какие углеводородные радикалы соединены с ним непосредственно. К азоту присоединён один фрагмент CH₃, а два других его соединения приходятся на атомы водорода.
3. Один радикал у азота означает, что амин первичный. Наличие двух атомов водорода при азоте подтверждает формулу RNH₂.

Ответ: CH₃NH₂ — первичный амин; при атоме азота один углеводородный радикал.

Задача 2. Составить формулы первичного, вторичного и третичного аминов, содержащих по два атома углерода в сумме.

1. Для первичного амина два атома углерода можно поместить в один этильный радикал: получаем CH₃CH₂NH₂.
2. Для вторичного амина распределяем два атома углерода между двумя радикалами: по одному атому в каждом. Формула такого соединения — (CH₃)₂NH.
3. Для третичного амина нужны три радикала при азоте. Каждый углеводородный радикал должен содержать хотя бы один атом углерода, поэтому минимум в молекуле будет три атома углерода. Условие о двух атомах углерода выполнить невозможно.

Ответ: первичный амин — CH₃CH₂NH₂; вторичный — (CH₃)₂NH; третичный амин с двумя атомами углерода составить нельзя.

Задача 3. Сравнить метиламин и диметиламин по строению и определить, какой из них первичный, а какой вторичный.

1. Записываем формулы: метиламин — CH₃NH₂, диметиламин — (CH₃)₂NH.
2. В CH₃NH₂ с азотом связан один метильный радикал CH₃. Следовательно, это первичный амин.
3. В (CH₃)₂NH с азотом связаны два метильных радикала, значит, это вторичный амин. В обеих молекулах есть атомы водорода при азоте, но их число не заменяет подсчёт радикалов.

Ответ: метиламин — первичный, диметиламин — вторичный; у азота соответственно один и два радикала.

Типичные ошибки

Ошибка: считать аминогруппой только −NH₂ и поэтому не относить вторичные и третичные соединения к аминам. Так думают, потому что именно такой фрагмент часто показывают в формуле первичного амина. Проверьте, можно ли представить вещество как производное аммиака: замена одного, двух или трёх атомов водорода радикалами даёт три типа аминов.

Ошибка: определять тип по числу атомов водорода во всей молекуле. Из-за этого можно принять водороды в углеродных группах за те, что связаны с азотом. Для проверки обведите N и посчитайте только радикалы, непосредственно присоединённые к нему: один, два или три.

Ошибка: считать ароматическим амином любое соединение с бензольным кольцом. Кольцо может находиться в молекуле, но быть соединено с азотом через углеродную цепь. Проследите связь от азота: для ароматического амина ароматическое ядро должно быть связано с ним непосредственно.

Ошибка: объяснять основные свойства наличием группы −NH₂. Это объяснение не подходит для вторичных и третичных аминов, у которых такой группы нет. Проверка проста: во всех типах аминов у азота имеется неподелённая электронная пара, способная связывать протон; именно она обусловливает основные свойства.

Связь с другими темами

Для изучения аминов нужны знания о строении аммиака, углеводородных радикалах и функциональных группах. Представление о замене атомов водорода в NH₃ помогает вывести формулы и определить тип амина. Далее строение аминов пригодится для понимания их химических свойств, в частности взаимодействия с кислотами. Аминогруппы также встречаются в составе аминокислот и белков, поэтому тема связывает органическую химию с изучением веществ живых организмов.

Что запомнить

• Амины рассматривают как производные аммиака.
• Тип амина определяют по числу радикалов при атоме азота.
• Первичный амин содержит один радикал при атоме азота, вторичный — два, третичный — три.
• Амины делят на алифатические и ароматические.
• Неподелённая электронная пара атома азота обусловливает основные свойства аминов.
• Строение молекулы влияет на физические свойства и растворимость аминов.