Ароматические амины. Анилин

Определения и обозначения

Ароматические амины — это производные аммиака, в которых один или несколько атомов водорода заменены ароматической группой, связанной с атомом азота. Иначе говоря, азот аминогруппы соединён непосредственно с ароматическим фрагментом. Такое определение помогает отличать ароматические амины от веществ, где аминогруппа находится в боковой цепи.

Анилин имеет формулу C₆H₅NH₂ и является простейшим представителем ароматических аминов. В его составе бензольное кольцо C₆H₅– соединено с группой –NH₂. Формула сразу показывает, что анилин можно рассматривать как бензол, в котором один атом водорода замещён аминогруппой.

Аминогруппа — это функциональная группа –NH₂, состоящая из атома азота и двух атомов водорода. В анилине она связана непосредственно с бензольным кольцом: C₆H₅–NH₂. Такое расположение определяет не только основные свойства вещества, но и поведение самого кольца в химических реакциях.

Реакция Зинина — восстановление нитробензола до анилина. В общем виде её можно записать так: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O. Это важный способ получения анилина, потому что нитрогруппа –NO₂ превращается в аминогруппу –NH₂.

Как это устроено

Молекула анилина состоит из плоского бензольного кольца и присоединённой к нему аминогруппы. Неподелённая электронная пара атома азота может перекрываться с π-электронной системой кольца, поэтому часть электронной плотности перемещается между азотом и бензольным фрагментом. Такое сопряжение связывает свойства обеих частей молекулы и объясняет, почему анилин отличается и от бензола, и от аммиака.

Анилин слабее проявляет основные свойства, чем аммиак, потому что электронная пара азота в нём частично делокализована, то есть распределена между атомом азота и кольцом. Для присоединения иона водорода эта пара становится менее доступной. В аммиаке она сосредоточена главным образом на атоме азота, поэтому аммиак легче взаимодействует с кислотами.

Анилин — бесцветная маслянистая жидкость с характерным запахом, которая плохо растворяется в воде и хорошо смешивается со многими органическими растворителями. На воздухе и при освещении он постепенно темнеет из-за окисления. Вещество токсично, поэтому его пары нельзя вдыхать, а попадания жидкости на кожу и в организм нужно не допускать.

Основной промышленный и лабораторный путь получения анилина — восстановление нитробензола. Восстановитель принимает кислород нитрогруппы или передаёт электроны, благодаря чему –NO₂ последовательно превращается в –NH₂. При использовании водорода образуются анилин и вода: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O; возможны также восстановители железо с кислотой или другие восстановительные системы.

Аминогруппа повышает электронную плотность бензольного кольца через сопряжение, поэтому оно легче вступает в реакции замещения, чем бензол. Электронная плотность особенно увеличивается в орто- и пара-положениях относительно –NH₂. Поэтому при замещении в кольце обычно преимущественно образуются орто- и пара-продукты, например при бромировании анилина.

Строение, свойства и получение анилина

Таблицу удобно использовать как краткий алгоритм повторения темы. Сначала восстановите формулу и строение, затем свяжите строение с основными свойствами и реакционной способностью. В конце проверьте, помните ли вы способ получения и меры безопасности.

Разбор задач

Задача 1

Запишите структурную формулу анилина и определите, к какому классу органических веществ он относится. Нужно установить, с какой частью молекулы соединена аминогруппа. Если она связана прямо с бензольным кольцом, вещество является ароматическим амином.

1. Записываем бензольный фрагмент C₆H₅–.
2. Присоединяем к нему аминогруппу –NH₂ и получаем C₆H₅–NH₂.
3. Называем класс по строению: ароматические амины.

Ответ: структурная формула анилина — C₆H₅–NH₂, молекулярная формула — C₆H₅NH₂. Анилин относится к ароматическим аминам.

Задача 2

Сравните основные свойства аммиака и анилина и объясните, почему анилин является более слабым основанием. Сравнивать нужно доступность неподелённой электронной пары азота, поскольку именно она связывает ион водорода. В анилине эта пара взаимодействует с бензольным кольцом.

1. У аммиака электронная пара локализована на атоме азота и легко участвует в присоединении H⁺.
2. У анилина пара частично делокализуется в сопряжении с кольцом.
3. Делаем вывод: анилин проявляет основные свойства, но слабее аммиака.

Ответ: аммиак — более сильное основание, а анилин — более слабое, потому что его электронная пара частично занята сопряжением с бензольным кольцом.

Задача 3

Рассмотрим пример: из 123 г нитробензола получают анилин с выходом 80%. Запишите уравнение реакции и найдите массу продукта. По уравнению видно, что нитробензол и анилин реагируют в молярном соотношении 1:1.

1. Уравнение: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O.
2. Количество нитробензола: n = 123 г : 123 г/моль = 1 моль.
3. Теоретически образуется 1 моль анилина массой 93 г.
4. Учитываем выход: m = 93 г · 0,80 = 74,4 г.

Ответ: при выходе 80% можно получить 74,4 г анилина. В обычной задаче сначала находят количество исходного нитробензола, затем используют соотношение по уравнению и только после этого учитывают выход.

Типичные ошибки

Ошибка: считать анилин таким же сильным основанием, как аммиак. Её допускают, потому что оба вещества содержат атом азота с неподелённой электронной парой. Проверьте себя: вспомните о сопряжении с кольцом и сделайте вывод, что основность анилина ниже.

Ошибка: называть анилин алифатическим амином. Причина — внимание только к группе –NH₂ без анализа всей молекулы. Проверьте, соединена ли аминогруппа прямо с бензольным кольцом: если да, амин ароматический.

Ошибка: считать, что аминогруппа не влияет на бензольное кольцо. Так происходит, если свойства функциональной группы рассматривают отдельно от молекулы. Проверьте наличие сопряжения: –NH₂ активирует кольцо и направляет замещение в орто- и пара-положения.

Ошибка: записывать получение анилина как простое присоединение водорода к нитробензолу. При этом забывают, что меняется сама нитрогруппа и образуется вода. Проверьте баланс атомов: в продукте –NO₂ должна превратиться в –NH₂, а кислород — перейти в воду.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении бензольного кольца, аминах и аминогруппе. Также потребуется умение определять степени окисления и распознавать окислительно-восстановительные реакции, поскольку получение анилина является восстановлением.

Тема помогает объяснять взаимное влияние атомов в органических молекулах и предсказывать направление замещения в ароматическом кольце. Эти знания пригодятся при изучении других ароматических соединений, синтеза красителей, лекарственных веществ и промышленных органических продуктов.

Что запомнить

• Формула анилина — C₆H₅NH₂.
• Анилин — простейший ароматический амин.
• Анилин проявляет основные свойства, но является более слабым основанием, чем аммиак.
• Аминогруппа активирует бензольное кольцо и направляет замещение в орто- и пара-положения.
• Анилин получают восстановлением нитробензола.
• Анилин токсичен, поэтому при работе с ним необходимы меры предосторожности.