18.1 Общая характеристика

Определения и обозначения

Амины — органические производные аммиака, в которых один или несколько атомов водорода заменены углеводородными радикалами. Радикал — группа атомов, остающаяся после удаления атома водорода из углеводорода, например CH₃–. Это определение показывает, как связаны состав аминов и строение исходного аммиака.

Первичный амин — соединение, в котором с атомом азота связан один углеводородный радикал; общая формула RNH₂. Буквой R обозначают радикал, а NH₂ указывает, что у азота остаются два атома водорода. Такая запись помогает увидеть, что из трёх водородов аммиака замещён один.

Вторичный амин — соединение, в котором с атомом азота связаны два углеводородных радикала; общая формула R₂NH. Радикалы могут быть одинаковыми или различными, поэтому запись R₂NH — сокращённое обозначение, а не обязательное указание на два одинаковых радикала. По ней видно, что у азота остался один атом водорода.

Третичный амин — соединение, в котором с атомом азота связаны три углеводородных радикала; общая формула R₃N. Водородов при азоте в такой формуле нет, однако соединение остаётся амином. Сравнение формул позволяет классифицировать вещества по радикалам, а не по числу атомов водорода.

Как это устроено

В молекуле аммиака NH₃ атом азота связан с тремя атомами водорода. Если заменить один водород углеводородным радикалом, получится первичный амин; замена двух даёт вторичный, а трёх — третичный. Причина такой классификации — в том, что она отражает число связей азота с углеводородными частями молекулы и последовательность замещения в аммиаке.

Тип амина определяют именно числом радикалов при азоте, а не количеством водородов в формуле. При замещении водорода радикалом оба вида атомов по-разному влияют на свойства, поэтому число водородов само по себе не сообщает, сколько радикалов связано с азотом. Например, в первичном амине RNH₂ два водорода, но радикал только один; в третичном R₃N водородов нет, но радикалов три. Для классификации достаточно рассмотреть непосредственное окружение атома N.

В алифатических аминах с азотом связаны алифатические радикалы, полученные из цепочечных углеводородов. Так, в метиламине CH₃NH₂ азот соединён с метильной группой CH₃–. В ароматических аминах азот связан непосредственно с ароматическим кольцом: в анилине C₆H₅NH₂ он присоединён к бензольному кольцу. Поэтому наличие группы NH₂ ещё не делает вещество алифатическим: решает строение радикала у азота.

Атом азота в аминах имеет неподелённую электронную пару — пару электронов, не участвующую в образовании обычной связи между атомами. Она может взаимодействовать с протоном H⁺, у которого нет электронов для образования новой пары. Такое присоединение объясняет основные свойства аминов: они способны принимать протон и образовывать положительно заряженную частицу. Строение окружения азота влияет на доступность этой электронной пары.

Физические свойства зависят и от размера углеводородных радикалов, и от их строения. Молекулы с более крупной углеводородной частью обычно сильнее взаимодействуют друг с другом, что отражается на температурах кипения и агрегатном состоянии. Низшие амины могут образовывать водородные связи с водой благодаря азоту, поэтому растворяются в ней; с увеличением углеводородной части доля неполярного фрагмента растёт, и растворимость обычно снижается. Разветвление и взаимное расположение групп тоже могут влиять на свойства, поэтому это общая тенденция, а не правило без исключений.

Классификация аминов и особенности их строения

Сначала найдите атом азота и посчитайте связанные с ним радикалы — так определяют первичный, вторичный или третичный амин. Затем выясните, какой это радикал: алифатический или ароматический. В таблице Ar обозначает ароматический радикал, например C₆H₅–.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какому типу относятся CH₃NH₂, (CH₃)₂NH и (CH₃)₃N. Считайте не все группы CH₃ в формуле, а только те, которые непосредственно связаны с атомом азота. После подсчёта сравните результат с определениями трёх типов аминов.

1. В CH₃NH₂ к азоту присоединена одна группа CH₃ — это один радикал.
2. В (CH₃)₂NH к азоту присоединены две группы CH₃ — это два радикала.
3. В (CH₃)₃N к азоту присоединены три группы CH₃ — это три радикала.

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

Задача 2. Составьте структурные формулы первичного, вторичного и третичного аминов, содержащих по три атома углерода. Сначала выберите число радикалов у азота, затем распределите между ними три атома углерода. Проверка общего числа атомов углерода не позволяет случайно составить формулу другого вещества.

1. Для первичного амина нужен один радикал с тремя углеродами: CH₃–CH₂–CH₂–NH₂.
2. Для вторичного амина можно взять метильный и этильный радикалы: CH₃–NH–CH₂–CH₃. Вместе они содержат один плюс два, то есть три атома углерода.
3. Для третичного амина распределите три углерода по трём одинаковым радикалам: (CH₃)₃N. Каждый метильный радикал содержит один атом углерода.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₂–NH₂; CH₃–NH–CH₂–CH₃; (CH₃)₃N. В каждом примере ровно три атома углерода, а тип соответствует числу радикалов у азота.

Задача 3. Сравните строение метиламина и анилина и определите класс каждого соединения. Одной только группы NH₂ недостаточно: нужно посмотреть, с каким углеводородным фрагментом непосредственно соединён азот. Это одновременно покажет тип радикала и позволит классифицировать амин.

1. В CH₃NH₂ азот связан с группой CH₃–, которая является алифатическим радикалом.
2. В C₆H₅NH₂ азот связан непосредственно с группой C₆H₅–, то есть с бензольным кольцом.
3. В обоих соединениях у азота по одному радикалу, поэтому оба амина первичные. По характеру радикала метиламин алифатический, а анилин ароматический.

Ответ: метиламин — первичный алифатический амин; анилин — первичный ароматический амин.

Типичные ошибки

Ошибка — называть амин первичным по числу атомов водорода при азоте. Так делают, потому что формулы RNH₂, R₂NH и R₃N легко запомнить как последовательность водородов, но классификация основана на замещении аммиака. Чтобы проверить себя, обведите атом N и посчитайте радикалы, присоединённые к нему напрямую.

Ошибка — считать анилин алифатическим амином из-за группы NH₂. Группу замечают первой, но для определения класса важен фрагмент, связанный с азотом: в анилине это бензольное кольцо. Проверка проста: найдите связь между N и кольцом; если она непосредственная, амин ароматический.

Ошибка — путать число радикалов при азоте с числом атомов углерода во всей молекуле. Длинный радикал может содержать несколько атомов углерода, но для определения типа амина всё равно считается за один радикал. Проверьте отдельно число связей N с радикалами и отдельно общее количество атомов C.

Ошибка — объяснять основные свойства, не упоминая неподелённую электронную пару азота. Одной формулы RNH₂ недостаточно, чтобы объяснить способность амина принимать протон. Проверьте рассуждение: названа ли электронная пара и показана ли её роль во взаимодействии с H⁺.

Связь с другими темами

Для понимания аминов нужно знать строение аммиака: именно его атомы водорода замещаются радикалами. Также понадобятся понятия углеводородного радикала и бензольного кольца, чтобы различать алифатические и ароматические амины. Эти знания позволяют читать формулы и определять класс вещества по его строению.

Представление об аминах пригодится при изучении органических оснований: неподелённая пара азота объясняет их взаимодействие с протонами. Аминогруппы встречаются и в более сложных веществах, в том числе аминокислотах, из которых построены белки. Поэтому умение распознавать амины помогает связывать свойства простых молекул со строением биологически важных соединений.

Что запомнить

• Амины — производные аммиака, в которых один или несколько атомов водорода заменены углеводородными радикалами.
• Тип амина определяется числом радикалов, непосредственно связанных с атомом азота.
• Первичный амин содержит один радикал, вторичный — два, третичный — три.
• Амины бывают алифатическими и ароматическими; анилин — ароматический амин.
• Неподелённая электронная пара азота обусловливает основные свойства аминов.