15.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Амины — органические производные аммиака, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены углеводородными радикалами. Например, в метиламине CH₃NH₂ один атом водорода аммиака заменён метильной группой. Это определение показывает происхождение аминов и помогает отличать их от других азотсодержащих веществ.

Аминогруппа — функциональная группа −NH₂, определяющая строение и основные свойства первичных аминов. В ней атом азота соединён с двумя атомами водорода и ещё с углеводородным радикалом. Узнавание аминогруппы позволяет быстро находить первичные амины в структурных формулах.

Первичные, вторичные и третичные амины — классы соединений, различающиеся числом углеводородных радикалов, связанных с атомом азота. У первичного амина один радикал, у вторичного два, у третичного три. Такая классификация описывает именно окружение атома азота, а не строение углеродного радикала.

Радикально-функциональная номенклатура аминов — способ называния соединений по названиям углеводородных радикалов и слову «амин». Например, CH₃NHCH₃ называют диметиламином, а CH₃CH₂NHCH₃ — этилметиламином. Этот способ сразу сообщает, какие радикалы связаны с атомом азота.

Как это устроено

Молекулу амина удобно представить как молекулу аммиака, в которой водороды постепенно заменяются радикалами R. Если заменён один водород, получается RNH₂, если два — R₂NH, если три — R₃N. Такое образование объясняет, почему у всех трёх классов сохраняется связь с аммиаком, но меняется число атомов водорода при азоте.

Число радикалов у азота определяет класс амина, потому что именно оно показывает, сколько связей азот образовал с углеводородными группами. В первичном амине у азота остаются два водорода, во вторичном — один, а в третичном водородов уже нет. Поэтому для классификации достаточно проследить только непосредственные связи атома азота.

Азот в амине сохраняет неподелённую электронную пару, то есть пару валентных электронов, не участвующую в образовании обычной связи. Три σ-связи азота и эта электронная пара располагаются так, что форма молекулы близка к тригонально-пирамидальной. Неравномерное распределение зарядов делает молекулу полярной, а электронная пара позволяет азоту присоединять протон, что и обусловливает основные свойства.

Алифатические амины содержат у атома азота алифатические радикалы, например метильный или этильный. В ароматических аминах азот непосредственно связан с ароматическим радикалом, как в анилине C₆H₅NH₂. Одного наличия бензольного кольца в молекуле недостаточно: важно, с какой частью молекулы соединён атом азота.

Физические свойства зависят от размера радикалов и количества связей N−H. Небольшие амины хорошо растворяются в воде, потому что полярная группа у азота взаимодействует с молекулами воды; с ростом углеводородной части растворимость обычно уменьшается. Первичные и вторичные амины образуют водородные связи как доноры и акцепторы, а третичные лишены связей N−H и выступают только акцепторами.

Классификация и строение аминов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите атом азота и посчитайте непосредственно связанные с ним углеводородные радикалы. Затем проверьте число атомов водорода при азоте и выберите подходящую строку с примером. Для объяснения водородных связей отдельно учитывайте наличие или отсутствие связей N−H.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определить класс аминов CH₃NH₂, (CH₃)₂NH и (CH₃)₃N. Здесь нельзя ориентироваться на число атомов углерода или на название радикала. Нужно рассмотреть только связи атома азота.

1. В CH₃NH₂ с азотом связан один метильный радикал CH₃.
2. В (CH₃)₂NH с азотом связаны два метильных радикала.
3. В (CH₃)₃N с азотом связаны три метильных радикала.

Ответ: CH₃NH₂ — первичный амин, (CH₃)₂NH — вторичный, (CH₃)₃N — третичный.

Задача 2

Условие: составить название CH₃CH₂NHCH₃ и определить класс. В молекуле есть этильный и метильный радикалы, соединённые с одним атомом азота. Это сразу подсказывает и способ называния, и класс вещества.

1. Выбираем более длинный радикал CH₃CH₂ — этильный — как основу названия.
2. Метильный радикал рассматриваем как заместитель у атома азота и обозначаем приставкой N-.
3. У азота два углеводородных радикала, поэтому амин является вторичным.

Ответ: N-метилэтанамин, или этилметиламин по радикально-функциональной номенклатуре; это вторичный амин.

Задача 3

Условие: записать все изомерные амины состава C₃H₉N и распределить их по классам. Сначала нужно распределить три атома углерода между углеродным скелетом и радикалами при азоте. Затем проверяют, не получились ли одинаковые соединения, записанные в другом порядке.

1. Первичные амины: CH₃CH₂CH₂NH₂ — пропан-1-амин; (CH₃)₂CHNH₂ — пропан-2-амин.
2. Вторичный амин: CH₃CH₂NHCH₃ — этилметиламин.
3. Третичный амин: (CH₃)₃N не подходит по формуле, потому что содержит четыре атома углерода; значит, при трёх атомах углерода третичный вариант — не возможен.

Ответ: существуют два первичных и один вторичный изомер: пропан-1-амин, пропан-2-амин и этилметиламин. Третичных аминов состава C₃H₉N нет, поскольку три радикала при азоте должны вместе содержать три атома углерода, а минимальный набор для трёх радикалов даёт три метильные группы и формулу C₃H₉N: правильная запись третичного изомера — (CH₃)₃N.

Типичные ошибки

Некоторые считают первичным амином вещество с первичным атомом углерода. Ошибка возникает из-за совпадения слов, но класс амина определяется числом радикалов у азота. Проверьте себя: обведите атом N и пересчитайте только группы, соединённые с ним.

Аминогруппу −NH₂ иногда путают с нитрогруппой −NO₂. Причина ошибки — одинаковое наличие атома азота, хотя состав и строение групп различны. Для проверки посмотрите, есть ли в группе водород или кислород.

Третичный амин ошибочно называют трёхатомным. Приставка «третичный» указывает на три углеводородных радикала при атоме азота, а не на общее число атомов в молекуле. Пересчитайте радикалы, а не все атомы.

Иногда неподелённую электронную пару азота не учитывают при объяснении свойств. Из-за этого неправильно считают молекулу неполярной и не видят причины основных свойств. Проверьте формулу Льюиса: у нейтрального атома азота должна оставаться электронная пара.

Связь с другими темами

Для понимания аминов нужны строение аммиака, валентность и электронное строение азота, понятие углеводородного радикала и правила изомерии. Эти знания позволяют классифицировать и называть соединения.

Классификация и номенклатура аминов понадобятся при изучении их химических свойств, способов получения и применения. По строению можно заранее объяснять взаимодействие с водой и кислотами.

Тема связана с аминокислотами, белками и биологически активными азотсодержащими веществами. Аминогруппа входит в состав многих молекул, важных для живых организмов.

Что запомнить

• Амины являются производными аммиака.
• Класс амина определяется числом углеводородных радикалов у атома азота.
• Первичные амины содержат один, вторичные — два, третичные — три радикала при атоме азота.
• Аминогруппа имеет состав −NH₂.
• Неподелённая электронная пара азота определяет полярность и основные свойства аминов.
• Амины подразделяют на алифатические и ароматические.
• Название амина должно отражать состав и строение радикалов, связанных с атомом азота.