Амины: строение и основные свойства

Амины относятся к азотсодержащим органическим веществам. Их можно встретить в составе лекарств, красителей, полимеров и природных соединений. Например, метиламин используют как исходное вещество в органическом синтезе, анилин нужен для производства красителей, а фрагменты, похожие на аминогруппу, входят в молекулы аминокислот и алкалоидов. Для школьного курса особенно важно, что амины во многом напоминают аммиак: они способны присоединять протон и образовывать соли. Однако углеводородные радикалы заметно влияют на силу этого свойства и на растворимость вещества.

Что называют аминами

В молекуле аммиака атом азота соединён с тремя атомами водорода и имеет неподелённую электронную пару. Если заменить один водород на углеводородный радикал R, получится первичный амин R-NH₂. Простейший представитель этого ряда, метиламин, имеет формулу CH₃NH₂. Его можно рассматривать как производное метана CH₄, в котором один атом водорода замещён группой -NH₂.

Неподелённая электронная пара на атоме азота определяет важную особенность аминов. Она может образовать связь с ионом водорода H⁺, поэтому амины проявляют основные свойства. В водном растворе метиламин частично связывает воду и даёт гидроксид-ионы: CH₃NH₂ + H₂O ⇄ CH₃NH₃⁺ + OH^-. Равновесие не смещается полностью вправо, поэтому раствор амина является щёлочным, но не содержит свободного гидроксида металла.

Не следует путать амины с аминокислотами и амидами. У аминокислот аминогруппа соседствует с карбоксильной группой -COOH, поэтому их поведение зависит сразу от двух функциональных групп. В амидах азот связан с карбонильной группой, например в CH₃CONH₂. Электронная пара азота в амидах частично участвует во взаимодействии с группой C=O, из-за чего основные свойства выражены намного слабее, чем у аминов.

Строение и классификация

По числу углеводородных радикалов, соединённых с азотом, амины делят на первичные, вторичные и третичные. В первичном амине один радикал и два атома водорода при азоте: C₂H₅NH₂, этиламин. Во вторичном амине два радикала, например диметиламин (CH₃)₂NH. В третичном амине с азотом соединены три радикала: (CH₃)₃N, триметиламин. Во всех этих случаях у атома азота сохраняется неподелённая электронная пара.

Если у азота четыре органических заместителя, образуется уже не амин, а четвертичная аммониевая соль. Например, при присоединении метилхлорида к триметиламину получается хлорид тетраметиламмония: (CH₃)₃N + CH₃Cl → [(CH₃)₄N]⁺Cl^-. В такой частице азот имеет положительный заряд и неподелённой пары у него нет, поэтому она не проявляет обычных основных свойств амина.

По природе радикала различают предельные, непредельные, ароматические и смешанные амины. В предельном амине азот связан с алкильным радикалом, как в метиламине CH₃NH₂. В ароматическом амине он непосредственно присоединён к бензольному кольцу. Анилин C₆H₅NH₂ является важнейшим примером такого вещества. Его иногда записывают как Ph-NH₂, где Ph обозначает фенильный радикал C₆H₅.

Названия простых аминов образуют от названия радикала и слова «амин»: метиламин, этиламин, диметиламин. По систематической номенклатуре группу -NH₂ можно считать заместителем и использовать приставку «амино-». Так, CH₃CH₂CH₂NH₂ называют пропан-1-амином, а CH₃CH(NH₂)CH₃ называют пропан-2-амином. Номер показывает положение аминогруппы в главной цепи.

Физические свойства

Низшие алифатические амины имеют резкий запах, который часто сравнивают с запахом аммиака или испорченной рыбы. Метиламин и диметиламин при обычных условиях являются газами, более тяжёлые представители могут быть жидкостями. Ароматические амины обычно менее летучи. Анилин представляет собой маслянистую жидкость, плохо растворимую в воде.

Первичные и вторичные амины содержат связь N-H и способны образовывать водородные связи. Поэтому их температуры кипения выше, чем у углеводородов с близкой молекулярной массой. При этом водородные связи N-H слабее водородных связей O-H в спиртах, и температуры кипения аминов обычно ниже, чем у соответствующих спиртов. Третичные амины не имеют связи N-H, но атом азота всё ещё может принимать водородную связь от воды.

Низшие амины хорошо растворяются в воде. Этому способствует полярность связи C-N и образование водородных связей с молекулами воды. По мере увеличения углеводородной части растворимость снижается. Ароматический радикал тоже препятствует растворению: в анилине неполярное бензольное кольцо велико по сравнению с аминогруппой. Но при добавлении кислоты анилин образует растворимую соль, и его можно перевести в водный раствор.

Основные химические свойства

Как и аммиак, амины реагируют с кислотами с образованием солей. Метиламин с соляной кислотой даёт хлорид метиламмония: CH₃NH₂ + HCl → [CH₃NH₃]⁺Cl^-. В сокращённой записи продукт часто обозначают CH₃NH₃Cl. Эта реакция не требует разрыва углеродного скелета: к неподелённой паре азота присоединяется протон, а анион кислоты становится противоионом.

Соли аминов можно разложить действием щёлочи. Если к раствору хлорида метиламмония добавить гидроксид натрия, снова выделится свободный амин: CH₃NH₃Cl + NaOH → CH₃NH₂ + NaCl + H₂O. Так подтверждают, что соли аминов ведут себя подобно солям аммония. В учебных задачах важно правильно записывать заряд частицы: после присоединения H⁺ атом азота образует четыре связи и несёт положительный заряд.

Алифатические амины в целом проявляют более сильные основные свойства, чем аммиак. Алкильные радикалы слегка смещают электронную плотность к азоту и делают его электронную пару доступнее для протона. Анилин, напротив, слабее аммиака как основание. Его электронная пара частично делокализуется в бензольном кольце, поэтому хуже участвует в присоединении протона. Это различие объясняет, почему анилин реагирует с сильными кислотами, но его водный раствор имеет слабощёлочную реакцию.

Для первичных ароматических аминов характерна реакция с азотистой кислотой при низкой температуре. Анилин в присутствии соляной кислоты взаимодействует с азотистой кислотой, которую получают непосредственно в смеси из нитрита натрия и кислоты. Образуется соль диазония: C₆H₅NH₂ + NaNO₂ + 2HCl → C₆H₅N₂⁺Cl^- + NaCl + 2H₂O. Соли диазония используют в синтезе азокрасителей. Реакцию проводят при охлаждении, потому что такие соединения при нагревании неустойчивы.

Получение и применение

Один из способов получения аминов основан на замещении атома галогена в галогеналкане. Например, бромэтан реагирует с избытком аммиака с образованием этиламина: C₂H₅Br + 2NH₃ → C₂H₅NH₂ + NH₄Br. Избыток аммиака нужен, чтобы уменьшить дальнейшее алкилирование уже получившегося амина. Иначе в смеси могут появиться вторичные и третичные амины, а также четвертичные аммониевые соли.

Ароматические амины получают восстановлением нитросоединений. Нитробензол C₆H₅NO₂ при восстановлении водородом превращается в анилин: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O. В лабораторных схемах вместо водорода часто указывают железо или цинк в кислой среде. Затем основание освобождают из соли добавлением щёлочи.

Амины широко используют как промежуточные продукты. Из анилина получают красители, добавки к полимерам и некоторые лекарственные вещества. Алифатические амины применяют при производстве поверхностно-активных веществ, средств защиты растений и фармацевтических соединений. Многие амины токсичны, летучи или раздражают слизистые, поэтому работать с ними можно только в оборудованной лаборатории, в вытяжном шкафу и с соблюдением правил безопасности.

• Амины являются производными аммиака, содержащими один, два или три углеводородных радикала при атоме азота.
• Неподелённая электронная пара азота обусловливает основные свойства и образование солей с кислотами.
• Первичные, вторичные и третичные амины различают по числу радикалов, связанных с азотом.
• Алифатические амины обычно сильнее аммиака как основания, а анилин слабее из-за влияния бензольного кольца.
• Амины получают замещением в галогеналканах и восстановлением нитросоединений.