§ 36. Амины

Определения и обозначения

Амины — органические производные аммиака, в которых атомы водорода замещены углеводородными радикалами. Радикал обозначают буквой R, поэтому формулы аминов удобно записывать кратко. Такое определение помогает отличать амины от других азотсодержащих веществ.

Аминогруппа — функциональная группа −NH₂, определяющая основные свойства первичных аминов. Она включает атом азота, связанный с двумя атомами водорода и углеводородным радикалом. По наличию этой группы можно распознать, например, метиламин CH₃NH₂.

Первичный амин содержит при атоме азота один углеводородный радикал; его общая формула — R−NH₂. Название «первичный» связано не с количеством атомов водорода, а с числом радикалов у азота. К этому классу относятся метиламин и анилин.

Анилин — ароматический первичный амин состава C₆H₅NH₂, производное бензола. В его молекуле аминогруппа связана непосредственно с бензольным кольцом. Такое строение влияет на свойства анилина, особенно на его основность.

Как это устроено

Классификация аминов основана на числе углеводородных радикалов, связанных с атомом азота. Если радикал один, формула имеет вид R−NH₂ и это первичный амин; при двух радикалах получается R₂NH, вторичный амин. Если у азота три радикала, формула записывается как R₃N, и амин называют третичным. Атом азота при этом сохраняет валентность три, а оставшееся электронное облако образует неподелённую пару.

Неподелённая электронная пара способна взаимодействовать с частицей, у которой не хватает электронов, прежде всего с протоном H⁺. Поэтому амин принимает протон и превращается в положительно заряженный ион, например CH₃NH₃⁺. В воде одновременно образуются ионы OH⁻: CH₃NH₂ + H₂O ⇄ CH₃NH₃⁺ + OH⁻, поэтому раствор имеет щелочную реакцию. Чем доступнее электронная пара, тем заметнее основные свойства.

Названия простых аминов образуют от названия углеводородного радикала и слова «амин»: CH₃NH₂ — метиламин, C₂H₅NH₂ — этиламин. Для двух одинаковых радикалов используют приставку «ди», например (CH₃)₂NH — диметиламин. Составляя формулу по названию, сначала записывают радикалы у атома N, а затем добавляют столько атомов водорода, чтобы у азота было три связи. Для ароматического радикала C₆H₅ название особое: C₆H₅NH₂ — анилин.

Низшие амины полярны, потому что атом азота сильнее притягивает общие электронные пары, чем углерод и водород. Между молекулами первичных и вторичных аминов возникают водородные связи, поэтому они лучше растворяются в воде, чем неполярные углеводороды. Низшие представители могут быть газами или легко летучими жидкостями, а более крупные молекулы обычно имеют более высокие температуры кипения. Метиламин хорошо растворим в воде, тогда как анилин растворяется значительно хуже из-за крупного бензольного кольца.

Алифатические амины, например метиламин, обычно проявляют более сильные основные свойства, чем анилин. В молекуле анилина неподелённая пара азота частично включается во взаимодействие с π-электронной системой бензольного кольца. Из-за этого электронная пара становится менее доступной для присоединения протона. Поэтому анилин реагирует с кислотами, но его основность слабее, чем у метиламина.

Состав, свойства и применение аминов

Таблица позволяет сравнивать вещества по одному и тому же набору признаков. Сначала определите строение и класс амина, затем сопоставьте физические и химические свойства. Особенно полезно сравнить основность: наличие бензольного кольца ослабляет основные свойства анилина.

Разбор задач

Задача 1

Назовите вещества CH₃NH₂, (CH₃)₂NH и C₆H₅NH₂ и определите класс каждого амина. Для решения нужно рассмотреть только атом азота и подсчитать число углеводородных радикалов, присоединённых к нему. Затем применим правила названия простых аминов.

1. В CH₃NH₂ с азотом связан один радикал CH₃, поэтому это первичный амин.
2. Название радикала CH₃ — метил, значит, вещество называется метиламин.
3. В (CH₃)₂NH с азотом связаны два одинаковых метильных радикала, поэтому это вторичный амин — диметиламин.
4. В C₆H₅NH₂ с азотом связан один фенильный радикал, поэтому это первичный ароматический амин — анилин.

Ответ: CH₃NH₂ — метиламин, первичный амин; (CH₃)₂NH — диметиламин, вторичный амин; C₆H₅NH₂ — анилин, первичный ароматический амин. Тип вещества определяет число радикалов у азота, а не число атомов водорода.

Задача 2

Составьте уравнения реакций метиламина с водой и хлороводородом и назовите продукты. Метиламин является основанием, потому что его атом азота имеет неподелённую электронную пару. Поэтому в первом случае он принимает протон у воды, а во втором — у хлороводорода.

1. Записываем взаимодействие с водой: CH₃NH₂ + H₂O ⇄ CH₃NH₃⁺ + OH⁻.
2. Положительный ион CH₃NH₃⁺ называется ионом метиламмония, а OH⁻ придаёт раствору щелочную реакцию.
3. При реакции с HCl образуется соль: CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl.
4. Название соли составляем из названий ионов: хлорид метиламмония.

Ответ: с водой метиламин образует ионы метиламмония и гидроксид-ионы, а с хлороводородом — хлорид метиламмония. Стрелка ⇄ в уравнении с водой показывает обратимость процесса. В реакции с кислотой образуется не продукт замещения, а соль.

Задача 3

Получите анилин восстановлением нитробензола и объясните, почему он слабее как основание, чем метиламин. Нитробензол содержит нитрогруппу −NO₂, которую при восстановлении превращают в аминогруппу −NH₂. Для сравнения основности нужно оценить доступность электронной пары атома азота.

1. Записываем схему превращения нитрогруппы: C₆H₅NO₂ → C₆H₅NH₂.
2. Уравниваем реакцию водородом: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O.
3. Определяем продукт: C₆H₅NH₂ — анилин.
4. Сравниваем строение: у метиламина электронная пара азота доступнее, а в анилине она частично взаимодействует с бензольным кольцом.

Ответ: анилин получают восстановлением нитробензола по уравнению C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O. В анилине электронная пара частично делокализуется в бензольном кольце, поэтому хуже присоединяет H⁺. Следовательно, анилин является более слабым основанием, чем метиламин.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Амином считают любое вещество, содержащее азот. Азот встречается и в других классах соединений, поэтому одного этого признака недостаточно. Проверьте, являются ли соединение производным аммиака и связаны ли с атомом азота углеводородные радикалы.

Ошибка 2. Тип амина определяют по числу атомов водорода в формуле. На самом деле считают радикалы, непосредственно связанные с азотом: один означает первичный амин, два — вторичный, три — третичный. Для проверки мысленно выделите атом N и посчитайте его углеродсодержащие заместители.

Ошибка 3. Анилин считают таким же сильным основанием, как метиламин. Такое сравнение не учитывает взаимодействие электронной пары азота с бензольным кольцом, из-за которого она становится менее доступной. Проверьте, является ли радикал при азоте алифатическим или ароматическим.

Ошибка 4. Реакцию амина с кислотой записывают как обычное замещение и не указывают соль. Амин присоединяет протон кислоты, превращаясь в катион аммониевого типа. Проверьте, появились ли в продукте катион R−NH₃⁺ и анион кислоты, например Cl⁻.

Связь с другими темами

Для изучения аминов нужны знания о строении и основных свойствах аммиака, а также понятия углеводородного радикала и функциональной группы. Формула R−NH₂ непосредственно связана с формулой аммиака NH₃: один атом водорода заменён радикалом.

Свойства анилина опираются на знания о бензоле и нитросоединениях, а реакции аминов с водой и кислотами связаны с кислотно-основными процессами. Растворимость и физическое состояние помогают объяснить полярность молекул и водородные связи.

Амины нужны для дальнейшего изучения аминокислот и белков, поскольку аминогруппа входит в состав аминокислот. Также они используются в органическом синтезе, производстве лекарств и красителей.

Что запомнить

• Амины — производные аммиака, в которых водород замещён углеводородными радикалами.
• Тип амина определяется числом углеводородных радикалов у атома азота.
• Неподелённая электронная пара азота обусловливает основные свойства аминов.
• Амины реагируют с водой и кислотами с образованием ионов или солей.
• Анилин — ароматический первичный амин состава C₆H₅NH₂.
• Анилин является более слабым основанием, чем алифатические амины.
• Анилин получают восстановлением нитробензола.