Амины представляют собой важный класс органических соединений азота, находящих широкое применение в промышленности и повседневной жизни. Давайте разберемся в их строении и классификации.
Строение аминов
По определению, амины – это производные аммиака NH3, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Общая формула предельных аминов имеет вид CnH2n+1N.
В алкиламинах атом азота находится в sp3-гибридном состоянии, аминогруппа имеет пирамидальную форму. Длина связи N-H составляет 1,01 Å, а длина связи C-N – 1,47 Å. Валентные углы имеют значения: ∟HNH – 106°, ∟CNH – 113°.
Амины способны образовывать водородные связи, это влияет на их физические свойства.
Из-за быстрой инверсии пирамидальной аминогруппы алифатические амины с тремя разными заместителями не проявляют оптической активности, хотя теоретически могут существовать в виде пары энантиомеров.
Идентификация аминов по спектрам
В ИК-спектре аминов проявляются полосы поглощения, соответствующие валентным колебаниям связей N-H:
- У первичных аминов – две полосы в области 3400-3320 см−1;
- У вторичных аминов – одна полоса в области 3360-3310 см−1;
- Третичные амины не имеют полос поглощения N-H.
В УФ-спектре алифатические амины не поглощают, а ароматические имеют две полосы поглощения.
Классификация аминов
Существует несколько подходов к классификации аминов в зависимости от строения.
По типу углеводородного радикала
Различают алифатические, ароматические (анилины) и алкилароматические амины.
По степени замещенности атома азота
-
Первичные амины (общая формула RNH2), где один атом Н замещен на углеводородный радикал R.
-
Вторичные амины (общая формула RR'NH), где два атома Н замещены на радикалы R и R'.
-
Третичные амины (
RR′R′′N
), все 3 атома H замещены радикалами.
Кроме того, различают аммониевые соединения общей формулы R4N+X−
.
По числу аминогрупп в молекуле
Бывают моноамины, диамины, триамины и полиамины.
Номенклатура аминов
Согласно рекомендациям ИЮПАК для аминов используют следующие правила названий.
Для первичных аминов добавляют суффикс «-амин» к названию радикала или используют слова «азан», «амин» с указанием заместителя. Например:
Метиламин |
Азанметан |
Метиламин |
Для многоатомных аминов рекомендуют аналогичные правила номенклатуры с указанием заместителей. Например:
Этилендиамин H2N-CH2-CH2-NH2
Таким образом, существует несколько подходов к классификации аминов по строению, что позволяет систематизировать эти соединения.
Физические свойства аминов
Физические свойства аминов во многом определяются строением углеводородного радикала и зависят от длины цепи, разветвленности, ароматичности.
Агрегатное состояние
Низшие алифатические амины с малой молекулярной массой (метиламин, этиламин) при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Высшие жирные амины с 12 атомами углерода являются жидкостями, а амины с еще более длинной углеродной цепью - твердыми веществами.
Растворимость
Низшие амины хорошо растворимы в воде и полярных органических растворителях. С увеличением длины радикала растворимость в воде падает из-за усиления гидрофобных свойств молекулы.
Температуры плавления и кипения
Температуры плавления и кипения аминов возрастают с увеличением молекулярной массы. Например, триметиламин кипит при 3°C, а триэтиламин - при 89°C. Температуры плавления изменяются от -117°C для метиламина до 49°C для гексадекиламина.
Химические свойства аминов
Химические свойства аминов определяются наличием неподеленной электронной пары атома азота, то есть их основными и нуклеофильными свойствами.
Основные свойства
В ряду увеличения основности амины располагаются следующим образом:
вторичные амины > первичные амины > третичные амины > аммиак > анилины
Константы основности (Kb) аминов лежат в пределах от 10-3 (сильные основания) до 10-11 (слабые основания).
Кислотные свойства
Амины проявляют очень слабые кислотные свойства, значения констант кислотности (Ka) составляют порядка 10-35-10-40.
Реакции идентификации аминов
Для идентификации аминов используют ряд качественных реакций, позволяющих отличать первичные, вторичные и третичные амины:
- Реакция с азотистой кислотой
- Тест Хинсберга
- Окисление гипохлоритом
Эти реакции основаны на различиях в химических свойствах разных типов аминов.
Получение аминов
Существует несколько основных промышленных и лабораторных способов синтеза аминов.
Промышленные методы
В промышленности амины чаще всего получают путем восстановления нитрилов или взаимодействием спиртов с аммиаком. Для этого используют катализаторы на основе Ni, Co, Cu, Fe и работают при температурах 100-250°C.
R-CN + H2 -> R-CH2-NH2
ROH + NH3 -> RNH2 + H2O
Также перспективно восстановление карбонильных соединений:
R2CO + H2 + NH3 -> R2CNH2 + H2O
Лабораторные методы
В лаборатории амины синтезируют восстановлением азидов, нитросоединений, оксимов с помощью LiAlH4, NaBH4, H2/Ni, H2/Pd и других реагентов.
Также используют реакции Габриэля, Зинина, Гофмана и алкилирование аминов алкилгалогенидами. Например:
RNH2 + R'X -> RR'NH + HX
Выбор метода зависит от типа и строения необходимого для синтеза амина.