Амины: общее описание

Контрольная работа Амины: общее описание

1. Номенклатура, изомерия, классификация

Аминами называются производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены органическими радикалами. Радикалы могут быть алифатическими (насыщенными или ненасыщенными), карбоциклическими, ароматическими или гетероциклическими. В зависимости от числа органических радикалов у атома азота амины делятся на первичные — RNH₂, вторичные — R₂NH и третичные — R₃N. При этом не имеет значения, какие органические радикалы (первичные, вторичные или третичные) выступают в роли заместителя — в первичных, вторичных и третичных аминах могут присутствовать как первичные, так и вторичные и третичные алкильные радикалы. Существуют также четвертичные соли аммония R₄N⁺X^- — производные иона аммония, у которого все валентности атома азота заняты органическими заместителями.

Для обозначения аминов используют три вида номенклатуры — тривиальную (например, анилин, толуидин и др.), заместительную (метиламин, триметиламин и т. д.) и номенклатуру ИЮПАК (1-аминогексан). Для обозначения простейших аминов наиболее часто применяют заместительную номенклатуру, согласно которой названия аминов строятся путем перечисления углеводородных радикалов в алфавитном порядке с добавлением окончания амин. В более сложных случаях используют номенклатуру ИЮПАК, в которой амины рассматривают как производные углеводородов с префиксом амино -.

В классе аминов существуют следующие виды изомерии: изомерия углеводородного скелета (например, 1-аминобутан и 1-амино-2-метилпропан), положения аминогруппы (например, 1- и 2-аминобутаны), для полизамещенных ароматических аминов — изомерия взаимного расположения заместителей (например, орто-, мета- и пара-толуидины) и изомерия первичных, вторичных и третичных аминов (например, н-пропиламин, метилэтиламин и триметиламин).

2. Получение

Восстановление нитросоединений

Метод применим для синтеза первичных аминов как алифатических, так и ароматических. Однако наиболее важное значение он имеет для получения ароматических аминов, поскольку исходные нитроарены — легкодоступные вещества, которые синтезируют прямым нитрованием аренов. В качестве восстановителей нитросоединений используют различные реагенты: H₂/Pt, Pd, Ni; Sn/HCl; SnCl₂/HCl; Fe/HCl; Fe/H₂O и др. Применение в качестве восстановителя полисульфида натрия Na₂S_x позволяет селективно восстановить одну нитрогруппу в полинитроаренах.

Восстановление нитрилов, амидов, азидов, оксимов, иминов. Все вышеназванные азотистые функции достаточно легко восстанавливаются до первичных аминов. Чаше всего восстановление проводят каталитическим гидрированием или с помощью комплексных гидридов металлов (борогидрид натрия или алюмогидрид лития).

Многие альдегиды и кетоны превращаются в амины при обработке аммиаком и водородом в присутствии никеля Ренея. Образующийся на первом этапе реакции имин далее превращается в амин. Весь процесс проводят в одну стадию и называют «восстановительным аминированием».

Превращения производных кислот

Первичные амиды кислот при обработке бромом или хлором в присутствии щелочи превращаются в первичные амины, содержащие на один углеродный атом меньше, чем в исходной кислоте. Это превращение носит название расщепление амидов кислот по Гофману.

Гипогалогениты натрия, образующиеся из галогена и щелочи галогенируют амиды по NH₂ группе. Получающийся N-галогенамид при действии избытка щелочи дает ацилнитрен, который перегруппировывается в изоцианат. Из него после присоединения воды образуется карбаминовая кислота, декарбоксилирование которой приводит к первичному амину.

Ацилазиды при нагревании отщепляют азот и углекислый газ и дают первичные амины (Курциус). Хотя исходные вещества для перегруппировок Гофмана и Курциуса различны, механизмы этих превращений весьма похожи. Образующийся в обоих случаях неустойчивый ацилнитрен перегруппировывается в изоцианат, который далее гидролизуется и декарбоксилируется, давая амин.

Нуклеофильное замещение

Реакция нуклеофильного замещения под действием аммиака или первичных и вторичных аминов на алифатические субстраты протекает неоднозначно — образуется смесь первичных, вторичных и третичных аминов и солей тетраалкиламмония. Остановить процесс на стадии образования одного продукта невозможно. Несмотря на это реакция имеет промышленное применение.

RBr + NH₃ ® RNH₃⁺Br^{< sup>}

^{RNH₃+Br- + NH₃ ® RNH₂ + NH₄+Br-}

RBr + RNH₂ ® R₂NH₂⁺Br^-

R₂NH₂⁺Br^— + NH₃ ® R₂NH + NH₄⁺Br^-

RBr + R₂NH ® R₃NH⁺Br^-

R₃NH⁺Br^- + NH₃ ® R₃N + NH₄⁺Br^-

RBr + R₃N ® R₄N⁺Br^-

Известны способы получения ароматических аминов из арилгалогенидов и аммиака или аминов.

В последние десятилетия все более широкое применение для синтеза труднодоступных ароматических аминов находит нуклеофильное замещение в арилгалогенидах, катализируемое солями переходных металлов. Например,

Синтез Габриэля

Синтез Габриэля — способ получения первичных алифатических аминов исходя из фталимида калия, который алкилируется алкилгалогенидом, а образующийся N-алкилфталимид расщепляется гидразингидратом.

амин радикал органический аммиак

3. Строение аминов

Дипольные моменты, основность, потенциалы ионизации, длины связей и углы некоторых аминов

В аминах, как и в молекуле аммиака, атом азота находится в sp³-гибридном состоянии. Аминогруппа в алифатических аминах имеет пирамидальное строение. В ароматических аминах аминогруппа почти плоская вследствие сопряжения несвязывающей электронной пары и p-электронной системы бензольного кольца. Так, в анилине связь C-N короче (140 пм), чем в метиламине (147 пм), а угол HNH (113^о) больше, чем в метиламине (106^о) и аммиаке (107 ^о).

Молекулы аминов полярны, при этом в алифатических аминах вектор дипольного момента направлен от углеводородного радикала к аминогруппе, а в ароматических аминах наоборот.

В молекулах аминов атом азота, связанный с тремя различными заместителями, является асимметрическим (подобно атому углерода, соединенному с четырьмя разными радикалами), т.к. четвертая sp³-гибридная орбиталь занята неподеленной электронной парой. Т.о. эти амины должны существовать в виде пары энантиомеров, однако зафиксировать подобные стереоизомеры в индивидуальном состоянии, как правило, не удается. Такие энантиомеры легко взаимопревращаются, этот процесс называется инверсией азота. Энантиомеры четвертичных аммониевых солей, атом азота которых связан с четырьмя разными заместителями — вполне устойчивые соединения, т.к. в них инверсия азота невозможна.

4. Свойства

Образование водородных связей

Амины могут образовывать водородные связи друг с другом или с другими полярными молекулами, например, с водой. Но эти связи менее прочные, чем водородные связи в спиртах. Так, температуры кипения повышаются в ряду: C₄H₁₀ — 0^oC; C₄H₉NH₂ — 49^oC; C₄H₉OH — 97^oC.

Прочность водородных связей уменьшается в ряду первичные амины > вторичные амины > третичные амины, что связано с экранированием неподеленной электронной пары атома азота углеводородными радикалами. Например, температуры кипения триметиламина (CH₃)₃N — 3.5^oC и изобутана (CH₃)₃CH — -12^oC.

Кислотность первичных и вторичных аминов

Первичные и вторичные амины — очень слабые NH-кислоты. Так, рК_а аммиака? 35, рК_а диизопропиламина? 40. N-Анионы аминов (амид-анионы), напротив, очень сильные основания. Так, диизопропиламид лития (ЛДА), часто используется в органическом синтезе в качестве сильного основания, практически не обладающего нуклеофильными свойствами.

NH-Кислотность повышается, если при атоме азота в аминах находятся электронакцепторные заместители. Например, кислотность NH — связи в сульфамидах повышается настолько, что они реагируют со щелочами, а возникающие N-анионы значительно легче вступают в реакции нуклеофильного замещения с алкилгалогенидами, чем исходные сульфамиды.

Основность аминов

Алкиламины — более сильные основания, чем аммиак. В газовой фазе основность аминов увеличивается в ряду NH₃ < RNH₂ < R₂NH < R₃N, что является следствием +I эффекта алкильных групп. Но в водных растворах этот ряд изменяется: R₂NH > RNH₂? R₃N, что связано со стерическими препятствиями для переноса протона и сольватацией в случае третичных аминов.

Ароматические амины менее сильные основания, чем аммиак и алкиламины. Делокализация неподеленной электронной пары по бензольному кольцу уменьшает электронную плотность на атоме азота, и, следовательно, понижается способность к связыванию протона.

Как основания алкили ариламины реагируют с минеральными кислотами с образованием четвертичных аммониевых солей. Алкиламины выступают в роли оснований (но не нуклеофилов) в реакциях третичных галогеналканов, например реакция отщепления бромоводорода от трет-бутилбромида.

Нуклеофильность аминов

Амины проявляют свойства нуклеофильных реагентов, вступая в реакции замещения при sp³ — (алкилирование) и sp²-гибридных атомах углерода (ацилирование, арилирование); в реакции присоединения-отщепления с карбонильными соединениями (образование иминов, енаминов, оснований Шиффа); в реакции замещения при атоме серы в сульфонилгалогенидах (синтез сульфониламидов).

Алкилирование

Алкиламины алкилируются галогеналканами, давая смесь трех соединений — вторичного и третичного аминов и четвертичной аммоневой соли. При действии гидроксида серебра на галогениды тетраалкиламмония образуются соответствующие гидроксиды, нагревание которых приводит к образованию алкенов (см. расщепление гидроксидов тетраалкиламмония по Гофману). Ариламины можно превратить в N, N-диалкилариламины действием диалкилсульфатов или спиртов.

Арилирование

Подвижность галогена в галогенаренах невысока, поэтому реакции арилирования аминов протекают с большим трудом. Например, синтез дифениламина осуществляют нагреванием реагентов в нитробензоле в присутствии в качестве катализатора мелкодисперсной меди.

Ацилирование и защита аминогруппы

Ацилирование первичных и вторичных аминов карбоновыми кислотами и их производными (ангидридами, галогенангидридами, сложными эфирами) протекает по аминогруппе с образованием N-замещенных амидов карбоновых кислот.

Реакцию ацилирования в некоторых случаях используют для дезактивации аминогруппы (один из вариантов защиты аминогруппы). Например, для получения N-алкилариламинов или монобромариламинов ариламины предварительно ацилируют, затем проводят целевую реакцию (алкилирование или бромирование) и снимают защитную функцию, как правило, кислотным гидролизом.

Другой пример использования ацилирования для защиты аминогруппы — реакция нитрования ариламинов. При действии азотной кислоты аминогруппа легко окисляется, поэтому нитруют ацильные производные аминов.

Другие функции, используемые для защиты аминогруппы — формил (СНО), трифторацетил (CF₃CO), тозил (п-толуолсульфонил, 4-СН₃-С₆Н₄-SO₂), бензилоксикарбонил (карбобензокси, С₆Н₅СН₂-О-СО), трет-бутоксикарбонил (ВОС, (СН₃)₃С-О-СО). Например,

Конденсация с карбонилами

Первичные амины реагируют с карбонильными соединениями, образуя имины или, в случае ароматических аминов — основания Шиффа. Вторичные амины с карбонильными соединениями образуют енамины.

Синтез сульфониламидов

Первичные и вторичные амины реагируют с сульфонилхлоридами с образованием сульфониламидов. Эта реакция широко используется в фармацевтической промышленности, поскольку многие сульфониламиды обладают антибактериальной активностью (сульфаниламидные антибиотики). Например, сульфаметоксазол входит в состав широко используемого комбинированного антибиотика «бисептол».

Реакция с азотистой кислотой

Реакция с азотистой кислотой — качественная реакция на первичные, вторичные и третичные, алифатические и ароматические амины.

Неустойчивая азотистая кислота генерируется непосредственно в процессе реакции из нитрита натрия и сильной минеральной кислоты (серной, соляной). В кислой среде она дает ион нитрозония, который и является нитрозирующим агентом.

Первичные амины

Первичные алифатические амины при нитрозировании превращаются в крайне неустойчивые соли алкилдиазония, которые отщепляют молекулу азота, превращаясь в карбокатионы. Последние стабилизируются несколькими способами: 1) за счет взаимодействия с водой, давая спирты; 2) реагируя с другими нуклеофилами, например, с галогенид анионами, если реакция проводится в присутствии галогеноводородных кислот; 3) за счет отщепления протона. Поэтому в результате реакции обычно образуется смесь нескольких соединений.

Первичные ароматические амины при действии азотистой кислоты превращаются в соли диазония.

Вторичные амины

Вторичные алифатические и ароматические амины нитрозируются с образованием N-нитрозоаминов. Ароматические N-нитрозоамины при действии минеральных кислот перегруппировываются в п-нитрозо-N-алкилариламины. Примечательно, что перегруппировка протекает исключительно по пара-положению бензольного кольца.

Третичные амины

Третичные алифатические амины при нитрозировании образуют крайне неустойчивые N-нитрозоаммонийные соли. Ароматические третичные амины подвергаются электрофильному нитрозированию по пара-положению бензольного кольца.

Превращения углеводородного радикала

Разложение четвертичных аммониевых оснований

При нагревании сухих гидроксидов тетраалкиламмония происходит образование алкена, третичного амина и воды.

Механизм реакции — бимолекулярное Е2-элиминирование, протекающее в соответствии с правилом Гофмана. Т. е. при отщеплении амина от солей тетраалкиламмония преимущественно образуется наименее замещенный алкен. В переходном состоянии, имеющем трансоидную конфигурацию, более выгодной оказывается атака основания с менее экранированной стороны.

В пользу пространственного фактора говорит следующий факт. Доля олефина с концевой двойной связью возрастает, при увеличении объема уходящей группы. Например,

Реакции ароматического кольца

Аминогруппа, обладающая +М и — I эффектами (+М >> - I), активирует бензольное кольцо по отношению к электрофилам. Реакции электрофильного замещения в ариламинах протекают без катализатора, зачастую в мягких условиях и под действием даже очень слабых электрофилов.

Галогенирование

Независимо от количества используемого галогена (хлора или брома) реакция протекает сразу по всем свободным орто— и пара-положениям бензольного кольца. О моногалогенировании

Нитрование

Первичная аминогруппа в ариламинах легко окисляется под действием азотной кислоты, поэтому для получения нитрозамещенных ариламинов требуется Защита аминогруппы. В отличие от них, третичные ароматические амины нитруются азотной кислотой в уксусной кислоте до орто— и пара-нитроариламинов, а в конц. H₂SO₄ — мета-нитросоединения. Образование последних является следствием протонирования аминогруппы, которая превращаясь в аммониевую группу NH₃⁺ становится ориентантом 2-ого рода и направляет вступление нитрогруппы в мета-положение.

Сульфирование

Аминогруппа при действии конц. серной кислоты протонируется, а образующаяся аммониевая группа — NH₃⁺ является электроноакцепторным заместителем, поэтому сульфирование ариламинов в этих условиях протекает по мета-положениям бензольного кольца. Для получения орто— и пара-аминобензолсульфокислот используют «реакцию спекания». Действуя на амин эквимольным количеством конц. серной кислоты получают твердый гидросульфат ариламмония, который нагревают до 180−200^оС. При этом первоначально образуется арилсульфаминовая кислота, которая далее изомеризуется в орто— и пара-аминобензолсульфокисоты. Увеличение времени проведения реакции приводит к образованию более термодинамически стабильного пара-изомера — сульфаниловой кислоты.

Формилирование

Третичные ароматические амины реагируют с N, N-диметилфорамидом в присутствии хлорокиси фосфора, образуя пара-замещенные бензальдегиды (реакция Вильсмайера-Хаака). Формилирующий агент в этом превращении — иминиевая соль, получаемый in situ из ДМФА и хлорокиси фосфора.

Азосочетание

Ароматические амины вступают в реакцию азосочетания с солями диазония. Ниже приведен пример получения индикатора метиловый оранжевый.

1. Органическая химия: в 4 ч. / О. А. Реутов, А. Л. Курц, К. П. Бутин. — 2-е изд., испр. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. — (Классический университетский учебник). Ч. 4: 2011. — 726 с.: ил.

2. Кодопозитивы. ХИМИЯ. Рецензент Мельник А. С., кооператив «Форма», Свердловск, 2000 г.

3. Хомченко Г. П. Химия (для подготовительных отделений). Учебник. — 3-е изд., испр. — М.: Высш. шк., 2003. — 368 с., ил.

4. Вайзман Ф. Л. Основы органической химии: Учебное пособие для вузов: Пер. с англ. / Под ред. А. А. Потехина. — СПб: Химия, 2005. — 464 с. — Пер. изд.: США, 2008. ил.

5. Слета Л. А. Химия: Справочник. — Харьков: Фолио; Ростов н/Д: Феникс, 2007. — 496 с.

6. Кузьменко Н. Е. и др. Химия. Для школьников ст. кл. и поступающих в вузы: Учеб. пособие/ Н. Е. Кузьменко, В. В. Ерёмин, В. А. Попков. — М.: Дрофа, 2007. — 528 с.: ил.