Амины
По систематической номенклатуре амины называют путем добавления приставки амин к названию углеводорода. По рациоальной номенклатуре их рассматривают как алкил или ариламины.
Метанамин Этанамин N-Метилэтанамин N-Этилэтанамин
(метиламин) (этиламин) (метилэтиламин) (диэтиламин)
N,N-Диэтилэтанамин 2-Аминоэтанол 3-Аминопропановая
триэтиламин) (этаноламин) кислота
Циклогексанамин Бензоламин N-Метилбензоламин 2-Метилбензоламин
(циклогексиламин) (анилин) (N-метиланилин) (о-толуидин)
Гетероциклические амиы называют по соответствующему углеводороду вставляя приставку аза-, диаза- или триаза- для обозачения количества атомов азота.
1-Азациклопета- 1,2-Диазациклопета- 1,3-Диазациклопета-
2,4-диен 2,4-диен 2,4-диен
1. Основность аминов
Аммиак и амины благодаря наличию на их атомах азота неподеленной пары электронов обладают нуклеофильными свойствами, т.е. предоставляют эту пару обедненному электронами атому углерода. Они способны предоставлять ее и протону, т.е. обладать основностью.
Основные свойства аминов (Kb = 10-4) обусловлены способностью свободных (неподеленных) электронов атомов азота присоединять протон. Подобно аммиаку амины при действии минеральных кислот превращаются в соли:
(22)
Метиламмонийхлорид
Основность аминов тем выше, чем больше электронная плотность на атоме азота (чем выше электронодонорный характер атома азота).
Все простейшие алифатические амины, взаимодействуя с водой, генерируют гидроксид-анион и, следовательно, окрашивают лакмус в синий цвет:
Сравнивать основность аминов можно и по значениям pKa сопряженных им кислот - аммониевых ионов.
pKa + pKb = 14
Чем выше основность амина, тем сильнее он удерживает протон в аммониевом катионе RNH3+ и наоборот.
Алифатические амины - более сильные основания, чем аммиак, поскольку алкильные группы обладают +I-эффектом.
Нуклеофильность и основность аминов изменяются, как правило, симбатно: они уменьшаются с уменьшением электроннной плотности на атоме азота или при его пространственном экранировании и увеличиваются с увеличением электронной плотности на атоме азота или с увеличением его доступности. В качестве примера можно привести основность метиламинов. По силе основности они располагаются в следующий ряд:
(СH3)2NH > СH3NH2 > (СH3)3N >> NH3
pKb 3,28 3,36 4,30 4,74 9,42 13,00 13,20
pKa 10,72 10,64 9,70 9,26 4,58 1,00 0,80
Влияние пространственного фактора на основность и на нуклеофильность аминов наглядно демонстрируется сравнением свойств некоторых вторичных аминов.
Анилин и другие ароматические амины являются слабыми основаниями.
рKb 3,36 9,42 8,92
Это может быть объяснено делокализацией неподеленных электронов:
Делокализация электронной пары делает ее с одной стороны менее доступной для протона, а с другой стороны, что еще важнее, она стабилизирует молекулу. У протонированного анилина имеется лишь две граничные структуры:
В отличие от алифатических аминов ароматические амины водные растворы лакмуса в синий цвет не окрашивают, т.е. не генерируют гидроксид-анион при взаимодействии с водой. Анилин не образует солей с такими слабыми кислотами, как угольная, синильная, сероводород и др. Гидрохлорид анилина гидролизуется в воде, а сульфат анилина в воде не растворим.
Амиды являются гораздо более слабыми основаниями, чем даже ароматические амины (рKb = 14). У амидов неподеленная пара электронов азота также делокализована:
У протонированного амида имеется лишь две граничные структуры:
Однако, наиболее важным фактором, обусловливающим меньшую основность амидов, чем аминов, является электроноакцепторный эффект их карбонильной группы, смещающий ниже следующее равновесие влево
(23)
Атом азота в амидах настолько слабо основен, что их протонизация проходит по атому кислорода несмотря на его большую электроотрицательность, чем азот. Протонизированный по кислороду амид стабилизируется за счет резонанса:
Если в соединении атом азота заряжен положительно, но не связан с протоном, то такие соединения называют четвертичными аммониевыми солями. Например:
Тетрабутиламмонийбромид
Четвертичные аммониевые гидроксиды являются такими же сильными основаниями как и гидроксиды натрия и калия.
(24)
Почти все алкиламмонийхлориды, бромиды, йодиды и сульфаты растворимы в воде. Растворимость аминов в водных раcтворах кислот позволяет легко отделить их от неосновных и нерастворимых в воде соединений.
Поскольку амиды неосновны, нерастворимые в воде амиды не растворяются и в водных растворах кислот.
Четвертичную аммонийную группу содержат такие важные вещества как холин и ацетилхолин. Ацетилхолин участвует в передаче импульса между нервами и мускулами. При переходе ацетилхолина от нерва к мускулу последний сокращается. Для того чтобы мускул сократился еще раз ацетилхолин должен быть удален. Это осуществляется с помощью энзима холинэстераза, гидролизующего ацетилхолин до холина и уксусной кислоты:
(25)
ацетилхолин холин
Ацетилхолин фиксируется на энзиме группой . Другие соединения, содержащие такую же группу ингибируют холинэстеразу. Например, для расслабления мышц в хирургии используют бромиды декаметония и сукцинилхолина
декаметонийбромид
сукцинилхолинобромид
Упр.6. Расположите в порядке уменьшения основности в воде следующие амины: метиламин, диметиламин, триметиламин, анилин, дифениламин, трифениламин. Ответ обоснуйте.
Упр.7. Предложите схему разделения смеси, состоящей из бензойной кислоты, фенола, анилина и бензола используя кислоты, основания и органические растворители.
2. Методы получения
2.1. Восстановление нитросоединений
Восстановление ароматических нитросоединений (1.2.3) в сочетании с нитрованием аренов является главным способом получения аминов.
2.2. Аммонолиз галогенуглеводородов
Наиболее очевидный путь синтеза аминов заключается в алкилировании аммиака или амина алкилгалогенидами. Однако, при проведении этой реакции возможно многократное алкилирование. Недостатком этой реакции является то, что ее трудно остановить на какой-либо стадии. Первичные амины все же можно получать при использовании большого избытка аммиака, например:
(26)
(27)
бутилбромид бутиламин
Упр.8. Напишите продукты реакции аммиака с (а) метилиодидом,
(б) этилбромидом, (в) 1-бромбутаном
Упр.9. Напишите реакции, позволяющие получить (а) аллиламин из пропена,
(б) бензиламин из толуола и (в) этилендиамин из этилена.
Ароматические амины тоже можно получать из арилхлоридов и аммиака, но для этого требуются очень жесткие условия. Однако, если в орто- и пара-положениях к хлору находятся такие сильно электроноакцепторные группы, как нитрогруппа, замещение происходит сравнительно легко, например:
(28)
o-Хлорнитробензол о-Нитроанилин о-Фенилендиамин
Упр.10. Предложите схемы получения из бензола (а) о-фенилендиамина,
(б) м-фенилендиамина и (в) п-нитроанилина.
2.3. Замена гидроксильной группы в спиртах на аминную
(алкилирование аммиака и аминов спиртами)
При нагревании спиртов с галогенидами аммония в зависимости от соотношения реагентов могут быть получены первичные, вторичные или третичные амины. Алкилирование анилина обычно ведется спиртами в присутствии кислот, причем получают смесь N-алкил- и N,N-диалкиланилинов:
(29)
Процесс осущетствляют также каталитическим путем - пропуская аммиак и соответствующий спирт над Al2O3 при 300оС. Катализ, очевидно, сводится к протонированию спирта активными гидроксильными группами, имеющимися на поверхности катализатора, и реакция протекает, следовательно, по той же схеме, что и в кислой среде.
В промышленности алкилирование аммиака проводится первичными спиртами в присутствии хромита меди или окиси алюминия и других катализаторов при 300оС. При этом образуется смесь аминов, которую далее разделяют ректификацией.
(30)
Упр.11. Напишите реакцию этилового спирта с анилинийхлоридом при нагревании и опишите ее механизм.
Упр.12. Напишите продукты реакции этилового спирта с аммиаком в присутствии окиси алюминия при нагревании.
2.4. Фталимидный метод Габриэля
Аммонолиз алкилгалогенидов и алкилирование аммика спиртами приводят к образованию смесей аминов, разделение которых представляет большую трудность. Индивидуальные первичные амины можно получать фталимидным методом Габриэля.
фталимид фталимид калия N-этилфталимид фталазин-1,4-дион этиламин
Упр.13. Напишите реакции получения (а) пропиламина, (б) аллиламина,
(в) бензиламина, и (г) 2-фенилэтиламин фталимидным методом Габриэля.
2.5. Восстановление алкилазидов
Восстановление алкилазидов, получаемых взаимодействием алкилгалогенидов с азидом натрия, также приводит к образованию индивидуальных первичных аминов:
(31)
пропилазид пропиламин
Упр. 14. Напишите реакции получения (а) этиламина, (б) бутиламина из алкилгалогенидов через азиды.
2.6. Восстановительное аминирование альдегидов и кетонов
Многие альдегиды и кетоны превращаются в амины при нагревании с аммиаком и водородом в присутствии катализатора гидрирования:
(32)
Упр.15. Напишите реакции получения (а) бутиламина, (б) изопропиламина,
(в) циклогексиламина восстановительным аминированием соответствующих альдегидов или кетонов.
2.7. Расщепление амидов по Гофману (16.7.2.5)
Первичные амины могут быть получены при действии на амиды брома в щелочной среде. Реакция проходит по механизму (16-М6).
(33)
Фенилацетамид Бензиламин
Упр.16. Напишите реакции получения (а) пропиламина и (б) изопропиламина,
расщеплением соответствующих амидов по Гофману и опишите их механизм.
2.8. Восстановление нитрилов
Нитрилы при действии восстановителей или водорода в присутствии катализаторов превращаются в первичные амины:
(34)
Бутаннитрил Бутанамин
Упр. 17. Напишите реакции, приводящие к превращению адипиновой кислоты в гексаметилендиамин.
2.9. Гидрирование азотсодержащих гетероциклических соединений
При гидрировании пиррола образуется пирролидин, а пиридин восстанавливается водородом в момент выделения в пиперидин.
(35) (36)
Пиррол Пирролидин Пиридин Пиперидин
Упр.18. Завершите реакции
(а) (б)
(в) (г)
(д)
|
Заказать