Первичный амин	Вторичный амин	Третичный амин

Ами́ны — органические соединения , являющиеся производными аммиака , в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы . По числу замещённых атомов водорода различают соответственно первичные (замещён один атом водорода), вторичные (замещены два атома из трёх) и третичные амины (замещены все три атома). Выделяют также четвертичные аммониевые соединения вида R ₄ N ⁺ X ^- .

По характеру органической группы, связанной с азотом, различают алифатические , ароматические и жирно-ароматические (содержат ароматический и алифатический радикалы) амины. Ароматические амины называют анилинами . По числу NH ₂ -групп в молекуле амины делят на моноамины, диамины, триамины либо полиамины .

Номенклатура

Рекомендации ИЮПАК предписывают следующие правила для составления названий аминов. В случае первичных аминов пользуются одним из трёх способов: (1) добавляют суффикс «-амин» к названию родоначального углеводорода (предпочтительно); (2) добавляют название заместителя к корню «азан» или (3) добавляют название заместителя к корню «амин». Например:

(1) CH ₃ NH ₂ — метанамин;

(2) CH ₃ NH ₂ — метилазан;

(3) CH ₃ NH ₂ — метиламин .

Для вторичных и третичных аминов используются похожие рекомендации: (1) составить заместительное название с суффиксом «-амин» и указать остальные заместители при атоме азота (предпочтительно); (2) указать заместители в алфавитном порядке в виде приставок к корню «азан» или (3) указать заместители в алфавитном порядке в виде приставок к корню «амин». Например:

(1) (CH ₃ CH ₂ ) ₂ NCH ₂ CH ₃ — N , N -диэтилэтанамин;

(2) (CH ₃ CH ₂ ) ₂ NCH ₂ CH ₃ — триэтилазан;

(3) (CH ₃ CH ₂ ) ₂ NCH ₂ CH ₃ — триэтиламин .

В более сложных структурах, где аминогруппа не является старшей, она обозначается в виде префикса «амино-» (H ₂ NCH ₂ CH ₂ COOH — 3-аминопропановая кислота). Если эта аминогруппа дополнительно замещена, название заместителя помещают перед ней в виде приставки ((CH ₃ NH) ₂ CHCH ₂ CH ₂ COOH — 4,4-бис(метиламино)бутановая кислота) .

Диамины, триамины и т. д. называют, добавляя перед суффиксом «-амин» множащие приставки «ди-», «три-», «тетра-» и т. д. (H ₂ NCH ₂ CH ₂ NH ₂ — этандиамин-1,2, этилендиамин) .

Многие ароматические амины сохраняют тривиальные названия: анилин PhNH ₂ , толуидины CH ₃ C ₆ H ₄ NH ₂ , CH ₃ OC ₆ H ₄ NH ₂ .

Физические свойства и строение

Физические свойства аминов

Низшие амины — метиламин , диметиламин , триметиламин и — при комнатной температуре являются газами. Высшие амины до 12 атомов углерода являются жидкостями. Амины с более длинными заместителями являются твёрдыми веществами .

Низшие амины смешиваются с водой. смешивается с водой частично .

Амины имеют характерный рыбный запах, который можно почувствовать при концентрации амина 0,1 м. д.

Строение аминогруппы

Аминогруппа имеет пирамидальное строение: пирамиду образуют три заместителя атома азота, а в четвёртой вершине тетраэдра находится неподелённая электронная пара. Длина связи N–H в метиламине равна 1,011 Å, а длина связи C–N составляет 1,474 Å. Угол H–N–H равен 105,9°, а угол C–N–H равен 112,9° .

Инверсия атома азота

Имея тетраэдрическое строение, sp ³ -гибридный атом азота в аминах постоянно претерпевает инверсию через sp ² -гибридное состояние. Энергетический барьер для инверсии у алкиламинов составляет 16-40 кДж/моль. При комнатной температуре скорость инверсии оставляет 10 ³ −10 ⁵ Гц . Это приводит к тому, что если амин имеет три разных заместителя при атоме азота, теоретически для него можно изобразить энантиомерные структуры, однако на практике их выделить нельзя, потому что из-за инверсии они быстро превращаются друг в друга. Исключением является , в котором конфигурация атомов азота закреплена и которое существует в виде двух стереоизомеров . Также стереохимически стабильны четвертичные аммониевые соли .

Спектральные характеристики

ИК-спектры аминов характеризуются наличием полос, соответствующих колебаниями связей N-H. У первичных аминов эти колебания проявляются в виде двух полос в области 3400-3380 см ⁻¹ и 3340-3320 см ⁻¹ (полосы соответствуют симметричным и антисимметричным колебаниям N-H). У вторичных аминов есть только одна полоса в области 3360-3310 см ⁻¹ . Третичные амины не имеют полос поглощения в этой области. Ароматические амины имеют соответственно то же число полос в области 3500-3300 см ⁻¹ .

Алифатические амины не поглощают в видимой и ультрафиолетовой области спектра. Ароматические амины имеют две полосы поглощения, соответствующие π→π*-переходам .

Получение

Из спиртов

Стандартным промышленным способом получения низших аминов является реакция соответствующего спирта с аммиаком над подходящим катализатором . Поскольку получаемый первичный амин может также реагировать со спиртом, продуктом всегда является смесь первичного, вторичного и третичного амина. Кроме того, образование вторичного и третичного амина является экзотермическим , а поэтому выгодным. Состав продуктов можно контролировать соотношением реагентов, температурой и продолжительностью синтеза .

${\displaystyle {\mathsf {NH_{3}+RCH_{2}OH\rightarrow RCH_{2}NH_{2}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {RCH_{2}NH_{2}+RCH_{2}OH\rightarrow (RCH_{2})_{2}NH+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {(RCH_{2})_{2}NH+RCH_{2}OH\rightarrow (RCH_{2})_{3}N+H_{2}O}}}$

Аммиак, спирт и водород пропускают над катализаторами на основе никеля , кобальта , меди , железа , реже — платины и палладия . В качестве подложки применяются оксид алюминия , оксид кремния и оксид циркония . Условия проведения реакции: 0,5–25 МПа, 100–250 °С (в зависимости от катализатора). Считается, что процесс протекает в три стадии:

• дегидрирование спирта до альдегида ;
• реакция карбонильного соединения и амина с образованием имина ;
• гидрирование имина до амина .

Чтобы сдвинуть равновесие в сторону первичных аминов, используют двойной избыток аммиака. Согласно уравнению реакции, дополнительный водород в ней не требуется, однако в его отсутствие происходит образование побочных продуктов: иминов, енаминов и нитрилов . Наличие водорода также способствует активности катализатора .

Из карбонильных соединений

По аналогии с предыдущим способом, амины получают по реакции аммиака с карбонильными соединениями. В этом случае продукт необходимо прогидрировать, поэтому водород расходуется в стехиометрическом количестве. Катализаторы используются те же, что и в синтезе аминов из спиртов .

${\displaystyle {\mathsf {R_{2}CO+NH_{3}\rightarrow R_{2}C=NH\rightarrow R_{2}CHNH_{2}}}}$

Из нитрилов

Нитрилы в промышленности каталитически гидрируют до соответствующих первичных аминов. В качестве катализаторов используют благородные металлы ( палладий , платину , родий ), никель , кобальт , а также железо . Благородные металлы позволяют провести реакцию в мягких условиях: 20—100 °С, 0,1–0,5 МПа, а никелевые и кобальтовые катализаторы требуют температуры до 180 °С и давления в 25 МПа .

${\displaystyle {\mathsf {RCN+2H_{2}\rightarrow RCH_{2}NH_{2}}}}$

Из Галогенпроизводных

По реакции Делепина (через гексамин )

Другие промышленные методы

Традиционный препаративный подход, основанный на реакции алкилгалогенидов и аммиака или аминов с образованием аммониевых солей, не нашёл широкого применения в промышленности. В настоящее время так получают лишь этилендиамин , гомологичные ему , и некоторые малотоннажные лекарственные препараты. Проблемой в данном подходе является отсутствие дешёвого сырья, коррозия , а также проблемы с качеством продуктов .

Восстановление нитросоединений используется редко, поскольку исходные нитроалканы не очень широко доступны. По состоянию на 2015 год этот метод применяется для синтеза 2-амино-2-метилпропанола-1 . Первичные ароматические амины получаются по этому методу хорошо: наиболее часто для их получения ароматические нитросоединения гидрируют водородом в жидкой или газовой фазе в присутствии никеля, платины или палладия. Также применяют железо или цинк и сульфиды щелочных металлов .

Амины с третичным углеводородным заместителем, например, трет -бутиламин весьма трудно получить обычными методами. Их синтезируют по реакции Риттера , присоединяя циановодород к алкену в присутствии концентрированной серной кислоты . Процесс проводят при 30—60 °С, а получаемый полупродукт гидролизуют при 100 °С. Применение реакции Риттера весьма ограниченно из-за использования токсичного циановодорода, а также из-за образования существенного количества побочных солей (3,3 кг на 1 кг трет -бутиламина), которые необходимо утилизировать .

Лабораторные методы

В лабораторных условиях амины получают разнообразными методами: , восстановлением нитрилов водородом , алюмогидридом лития либо дибораном , восстановлением амидов под действием тех же реагентов, восстановлением азидов , оксимов и нитросоединений .

Первичные и вторичные амины удобно получать по реакции восстановительного аминирования . Для синтеза первичных аминов в реакцию вводят карбонильное соединение и аммиак, а для синтеза вторичных аминов — карбонильное соединение и первичный амин. Полученное основание Шиффа затем восстанавливают водородом, или .

Кроме того, первичные амины можно получить из карбоновых кислот при помощи , и .

Одним из лабораторных способов является реакция аминов и аммиака с галогеналканами :

    RX + 2 R'NH2 → RR'NH + [RR′NH2] X

Такие реакции, которые наиболее полезны для алкилйодидов и бромидов, редко используются, поскольку степень алкилирования трудно контролировать . Селективность может быть улучшена с помощью реакции Делепина , хотя это редко используется в промышленном масштабе.

Прямое электрофильное аминирование

Получение ароматических аминов прямым электрофильным аминированием ароматических углеводородов долгое время считалась неосуществимым. В 2019 году российские ученые из Томского политехнического университета показали возможность прямого аминирования аренов гидразойной кислотой по классическому механизму S _E Ar, с участием катиона аминодиазония H ₂ N ₃ ⁺ .

Химические свойства

Основные свойства

Амины, являясь производными аммиака, имеют сходное с ним строение и проявляют подобные ему свойства. Атом азота содержит неподеленную электронную пару и выступает как основание Льюиса . Амины являются более сильными основаниями, чем вода, поэтому они также проявляют свойства оснований Брёнстеда — Лоури . Численно основные свойства аминов выражаются константой основности K _b либо p K _b .

${\displaystyle {\mathsf {RNH_{2}+H_{2}O}}\rightleftharpoons {\mathsf {RNH_{3}^{+}+OH^{-}}}}$

${\displaystyle K_{b}={\frac {[{\mathsf {RNH_{3}^{+}}}]\cdot [{\mathsf {OH^{-}}}]}{[{\mathsf {RNH_{2}}}]}}}$

${\displaystyle \ \mathrm {p} K_{b}=-\lg K_{b}}$

Амины являются более сильными основаниями, чем аммиак , за счёт донорного влияния алкильных групп. Однако из всех аминов наиболее сильными основаниями являются вторичные амины. Третичные амины проигрывают им в основности, что связано с пространственными препятствиями для переноса к ним протона и последующей сольватации образовавшегося аммониевого катиона . В газовой фазе, где эффекты сольватации отсутствуют, основность аминов предсказуемо уменьшается в следующем ряду: третичные > вторичные > первичные > аммиак. .

Однако в водных растворах эта закономерность искажается, наличие третьего заместителя создаёт пространственное затруднение как для присоединения протона, так и для сольватации образовавшегося катиона молекулами растворителя.

Ароматические амины являются более слабыми основаниями, что связывают с делокализацией неподелённой пары атома азота по ароматическому ядру .

название	формула	pK b	pK a(BH+)	pK a
диэтиламин	Et 2 NH	3.06	10.94
триэтиламин	Et 3 N	3.25	10.75
диметиламин	(CH 3 ) 2 NH	3.27	10.73
метиламин	(CH 3 )NH 2	3.36	10.64
этиламин	EtNH 2	3.37	10.63
триметиламин	(CH 3 ) 3 N	4.19	9.81
аммиак	NH 3	4.79	9.21	~33
4-метоксиланилин		8.66	5.34
4-метиланилин		8.90	5.10	8.83
анилин		9.38	4.62
4-хлоранилин		10.02	3.98
4-нитроанилин	4-NO 2 C 5 H 4 NH 2	13	1.0

в среднем для аминов характерно

соединение	Алкиламины	NH 3	Ариламины
pK a(BH+)	10.6 - 11.2	9.26	4.6 - 5.1

Амины являются очень слабыми кислотами: p K _a для них составляет порядка 35-40. Соответственно, анионы, получаемые из аминов, являются очень сильными основаниями, что находит применение в органическом синтезе (см. LDA ) .

Алкилирование аминов

Амины реагируют с алкилгалогенидами по механизму нуклеофильного замещения с образованием более замещённых аминов. Реакция протекает в диполярных апротонных растворителях ( ДМФА , ацетонитриле ) .

${\displaystyle {\mathsf {RNH_{2}+R'Cl\rightarrow RR'NH_{2}^{+}Cl^{-}}}}$

Ацилирование аминов

Первичные и вторичные амины вступают в реакции ацилирования с галогенангидридами , ангидридами карбоновых кислот , сложными эфирами . Ацилирующие реагенты можно расположить в ряд активности: RCOR < RCONR ₂ < RCOOR < (RCO) ₂ O < RCOHal < RCOBF ₄ . Также скорость реакции зависит от нуклеофильности амина, которую условно можно связать с основностью амина: алкиламины > ариламины > амиды. Внутримолекулярное ацилирование происходит легче, чем межмолекулярное .

В реакции с хлорангидридами происходит выделение хлороводорода , поэтому в реакцию необходимо брать двойное количество амина, чтобы второй эквивалент связал этот хлороводород. Образующаяся аммониевая соль выпадает в осадок и фильтруется. Как следствие, максимальный выход амида из амина составляет 50 %. Как вариант, можно использовать другие органические и неорганические основания, чтобы повысить выход. Например, в реакции Шоттена — Баумана используется гидроксид натрия или гидроксид калия . Из органических оснований применяются пиридин , диметиланилин , триэтиламин и др.

Реакция с альдегидами и кетонами

При реакции с альдегидами и кетонами первичные амины образуют имины (основания Шиффа), а вторичные амины дают енамины .

${\displaystyle {\mathsf {RCHO+R'NH_{2}\rightarrow RCH=NR'+H_{2}O}}}$

Реакция с азотистой кислотой

Реакция с азотистой кислотой является качественной для идентификации первичных, вторичных и третичных аминов. Первичные алифатические амины диазотируются азотистой кислотой с образованием . Эти соли даже в мягких условиях разлагаются с выделением газообразного азота и образованием карбокатиона, который может превратиться в алкен , спирт или другое устойчивое соединение . Иногда эту реакцию используют для расширения цикла, как, например, в перегруппировке Демьянова .

В отличие от алифатических, первичные ароматические амины при диазотировании образуют устойчивые соли арендиазония, которые способны вступать в реакции замещения молекулы азота на нуклеофил либо в реакции азосочетания .

Вторичные амины (алифатические и ароматические) при действии азотистой кислоты нитрозируются по атому азота, давая жёлтые N-нитрозоамины .

Алифатические третичные амины дают смесь соли амина и N-нитрозоаммонийной соли , а ароматические третичные амины нитрозируются в пара-положение .

Реакция с сульфонилгалогенидами

Реакция аминов с бензолсульфонилхлоридом либо пара-толуолсульфонилхлоридом также является качественной реакцией на первичные, вторичные и третичные амины и называется . В этой реакции смешивают амин и сульфогалогенид и встряхивают их с водным раствором гидроксида натрия , а через 10-15 мин подкисляют полученный раствор. Первичные амины на первой стадии дают сульфамид RNHSO ₂ Ar, который в щёлочи растворяется благодаря наличию кислого атома водорода при атоме азота. При добавлении кислоты он выпадает в осадок .

Вторичные амины также дают сульфамид, однако он не содержит кислого атома водорода и не растворяется в щёлочи. При подкислении смеси в данном случае ничего не происходит .

Третичные амины не вступают в эту реакцию, а сульфонилгалогенид в щелочной среде гидролизуется до соли сульфокислоты . При подкислении третичный амин растворяется, переходя в солевую форму .

Галогенирование аминов

Под действием гипохлоритов первичные и вторичные амины галогенируются по атому азота .

Окисление аминов

Амины легко вступают в реакции окисления , причём легче всего это делают третичные амины. Препаративными реагентами для этого превращения являются раствор пероксида водорода и органические надкислоты . Образующиеся N-оксиды третичных аминов бывают хиральными и могут быть разделены на энантиомеры . При обработке восстановителями, например трифенилфосфином , они снова превращаются в амины .

Первичные амины могут окисляться до нитросоединений . В качестве окислителя в этой реакци используют .

Реакции ароматических аминов

Ароматические амины (анилины) вступают в типичные реакции . Поскольку аминогруппа является активирующим заместителем , эти реакции протекают очень активно даже под действием мягких реагентов .

Так, галогенирование анилинов не требует использования кислоты Льюиса . Реакцию нельзя остановить на стадии моно- и дигалогенирования: например, при бромировании образуется сразу 2,4,6-триброманилин . Если необходимо ввести только один атом галогена, аминогруппу ацилируют , уменьшая её активирующее влияние .

В стандартных условиях нитрования ароматических соединений амины быстро окисляются, поэтому нитруют их ацильные производные. Третичные амины можно нитровать азотной кислотой в уксусной кислоте . Сульфируют анилины "методом запекания": сначала смешивают амин с серной кислотой, получая соль, которую далее в сухом виде нагревают при 180-200 °С. В промышленности так получают сульфаниловую кислоту .

Защитные группы для аминов

В органическом синтезе применяется большое разнообразие защитных групп для аминов. Наибольшую популярность получили группы Cbz ( ) и Boc ( трет -бутоксикарбонильная ). Бензилоксикарбонильную группу вводят обработкой амина бензиловым эфиром хлоругольной кислоты PhCH ₂ OCOCl в присутствии основания. Удалить её можно либо бромоводородом в уксусной кислоте. Группа Boc вводится с помощью ди-трет-бутилдикарбоната , а удаляется при обработке кислотой .

Методы определения

Для идентификации аминов используют несколько качественных реакций . Первичные амины нагревают с хлороформом в присутствии щёлочи : при этом они превращаются в изонитрилы и дают неприятный запах. Вторичные амины обрабатывают азотистой кислотой , а полученный осадок сплавляют с фенолом и подкисляют, наблюдая зелёное окрашивание .

Количественное определение проводят методом Кьельдаля , , , кислотно-основным титрованием и хроматографией . Первичные амины также превращают в азосоединения или основания Шиффа , а затем анализируют фотометрически .

Вредное воздействие

Алифатические амины оказывают негативное действие на нервную систему и сосуды , нарушают проницаемость клеточных мембран , работу печени и вызывают развитие дистрофии . Ароматические амины способствуют выработке метгемоглобина ; некоторые из них канцерогенны .

Примечания

Литература

• Салов Б. В. Амины // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1: А — Дарзана. — С. 147–149. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8 .
• Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия : в 4 т. . — 2-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. — Т. 3, 19. Амины. — С. 273–324. — 2000 экз. — ISBN 978-5-9963-1335-8 .
• Roose P., Eller K., Henkes E., Rossbacher R., Höke H. Amines, Aliphatic (англ.) // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley, 2015. — doi : .
• Lawrence S. A. Amines. Synthesis, Properties and Applications. — Cambridge University Press, 2004. — ISBN 0521782848 .

Ссылки

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.