Общая формула всех аминов: строение и классификация

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

1. Первичные амины (общая формула _RNH₂), где один атом Н замещен на углеводородный радикал R.

2. Вторичные амины (общая формула _RR'NH), где два атома Н замещены на радикалы R и R'.

3. 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:

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.