О чём этот урок

До сих пор в наших молекулах встречались только углерод, водород и кислород. Сейчас в игру вступает азот — и оказывается, что его органическая химия во многом повторяет то, что вы уже знаете об аммиаке из неорганического курса. Разберёмся, что такое амины, почему их классифицируют иначе, чем спирты, и почему анилин — не такое сильное основание, как обычный амин.

Прежде чем начать

Понадобится:

• свойства аммиака $NH_3$ из неорганической химии, в первую очередь его основность — способность присоединять протон с образованием иона аммония $NH_4^+$;
• классификация спиртов на первичные/вторичные/третичные (урок 13) — она нам понадобится для контраста;
• строение бензольного кольца и понятие ароматичности (урок 11);
• идея о том, почему фенол кислее спиртов — рассредоточение заряда за счёт кольца (урок 14).

Разбираемся с нуля

Аминогруппа — органический родственник аммиака

Возьмите молекулу аммиака $NH_3$ и замените один атом водорода на углеводородный радикал. Получится аминогруппа $-NH_2$ в составе органической молекулы — простейший пример:

$$CH_3-NH_2 \quad \text{(метиламин)}$$

Такие вещества называют аминами. Идея очень простая: амин — это как бы аммиак, у которого один, два или все три атома водорода заменены на углеводородные радикалы.

Классификация аминов — внимание, здесь легко запутаться

В уроке 13 спирты делили на первичные, вторичные и третичные по тому, сколько атомов углерода соединено с тем атомом углерода, который несёт группу $-OH$.

С аминами классификация устроена по другому принципу — считают, сколько атомов водорода в молекуле аммиака заменено на радикалы у атома азота:

• первичный амин — один радикал у азота, два атома водорода остались: $R-NH_2$;
• вторичный амин — два радикала у азота, один атом водорода остался: $R-NH-R'$;
• третичный амин — все три атома водорода заменены на радикалы: $R-N(R')-R''$.

Важно: не путайте эти два принципа классификации! У спиртов «первичность/вторичность» определяется окружением атома углерода, несущего группу $-OH$. У аминов — окружением самого функционального атома, то есть азота. Формально это два разных способа считать, и совпадают они только случайно. Третичный спирт и третичный амин устроены по совершенно разной логике классификации, хотя термин один и тот же.

Алифатические и ароматические амины

Как и в случае со спиртами и фенолами, важно, к чему именно присоединена аминогруппа:

• алифатические амины — аминогруппа связана с обычным углеводородным радикалом ($CH_3NH_2$, $C_2H_5NH_2$);
• ароматические амины — аминогруппа связана непосредственно с бензольным кольцом. Главный представитель — анилин:

$$C_6H_5-NH_2$$

Здесь та же идея, что и с фенолом в уроке 14: положение функциональной группы прямо на ароматическом кольце меняет её свойства.

Основность аминов

Как и аммиак, амины проявляют основные свойства — атом азота имеет неподелённую электронную пару, способную присоединить протон. Поэтому амины реагируют с кислотами, образуя соли, — точно так же, как аммиак:

$$NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl$$ $$CH_3NH_2 + HCl \rightarrow [CH_3NH_3]^+Cl^-$$

Соль амина в этом уравнении называется хлоридом метиламмония — по аналогии с хлоридом аммония. Алифатические амины — даже более сильные основания, чем аммиак: углеводородные радикалы «подталкивают» электронную плотность к атому азота, делая неподелённую пару ещё доступнее для протона.

Почему анилин — более слабое основание

А вот у анилина основность, наоборот, заметно ослаблена по сравнению и с аммиаком, и с алифатическими аминами. Причина — в том же самом эффекте, который вы уже видели в уроке 14 для фенола, только «зеркально».

У фенола неподелённая пара атома кислорода частично «уходит» в сопряжение с кольцом, из-за чего кислороду легче отдать протон — отсюда повышенная кислотность фенола. У анилина неподелённая пара атома азота точно так же частично «уходит» в сопряжение с бензольным кольцом — но раз эта пара частично распределена по кольцу, азоту тяжелее использовать её для присоединения нового протона. Именно поэтому анилин — заметно более слабое основание, чем метиламин или даже аммиак.

Важно: это красивая параллель на уровне идеи. В обоих случаях (фенол и анилин) неподелённая пара атома, связанного с кольцом, частично «размазывается» по этому кольцу через сопряжение. Для кислорода фенола это усиливает кислотность (легче отдать протон), а для азота анилина это ослабляет основность (труднее принять протон) — один и тот же эффект кольца проявляется по-разному в зависимости от того, что мы сравниваем.

Практическое значение анилина

Анилин — вещество с богатой историей: именно с попытки синтезировать хинин из анилина в 1856 году началась эпоха синтетических красителей (первый синтетический краситель мовеин получил Уильям Перкин). Сегодня анилин остаётся важным сырьём химической промышленности — для красителей, полимеров и лекарственных веществ, хотя сам по себе он токсичен и требует осторожного обращения.

Примеры и разбор

Пример 1. Определяем тип амина

Задача: Определите тип (первичный/вторичный/третичный) для аминов: $CH_3-NH_2$, $(CH_3)_2NH$, $(CH_3)_3N$.

Разбор: Считаем число радикалов у атома азота. У $CH_3-NH_2$ один радикал у азота — первичный амин. У $(CH_3)_2NH$ два радикала у азота — вторичный амин. У $(CH_3)_3N$ все три атома водорода замещены — третичный амин.

Вывод: классификация амина зависит только от числа радикалов непосредственно у атома азота, независимо от строения самих радикалов.

Пример 2. Сравнение основности

Задача: Расположите в порядке убывания основности: аммиак $NH_3$, метиламин $CH_3NH_2$, анилин $C_6H_5NH_2$.

Разбор: Алифатический радикал у метиламина «подталкивает» электронную плотность к азоту, усиливая основность по сравнению с аммиаком. У анилина, напротив, неподелённая пара азота частично уходит в сопряжение с кольцом, ослабляя основность.

Вывод: метиламин > аммиак > анилин.

Пример 3. Реакция амина с кислотой

Задача: Напишите уравнение реакции анилина с соляной кислотой и назовите продукт.

Разбор: Несмотря на ослабленную (по сравнению с алифатическими аминами) основность, анилин всё же реагирует с сильной кислотой, образуя соль:

$$C_6H_5NH_2 + HCl \rightarrow [C_6H_5NH_3]^+Cl^-$$

Продукт — хлорид фениламмония.

Вывод: даже ослабленное основание вступает в реакцию нейтрализации с сильной кислотой — вопрос только в том, насколько легко это происходит.

Проверьте себя

1. Как аминогруппу можно представить как производное аммиака?
2. По какому признаку классифицируют амины на первичные/вторичные/третичные и чем этот признак отличается от классификации спиртов?
3. Почему алифатические амины — более сильные основания, чем аммиак?
4. Какое вещество считается главным представителем ароматических аминов и как оно устроено?
5. Почему анилин — более слабое основание, чем метиламин?
6. В чём состоит параллель между ослабленной основностью анилина и повышенной кислотностью фенола?
7. Напишите уравнение реакции метиламина с соляной кислотой.
8. Какое историческое значение имеет анилин для химической промышленности?

Коротко о главном

• Аминогруппа $-NH_2$ — органический аналог аммиака $NH_3$, в котором атомы водорода заменены на углеводородные радикалы.
• Амины классифицируют на первичные/вторичные/третичные по числу радикалов у атома азота — это иной принцип, чем у спиртов, где смотрят на окружение атома углерода.
• Различают алифатические амины (радикал — обычная цепь) и ароматические (аминогруппа на бензольном кольце), главный представитель — анилин.
• Амины проявляют основные свойства, реагируя с кислотами с образованием солей, аналогично аммиаку.
• Алифатические амины — более сильные основания, чем аммиак, за счёт электронодонорного эффекта радикала.
• Анилин — более слабое основание, чем алифатические амины и даже аммиак, потому что неподелённая пара азота частично уходит в сопряжение с кольцом.
• Эффект ослабления основности анилина — прямая параллель эффекту усиления кислотности фенола (урок 14): в обоих случаях работает сопряжение неподелённой пары с кольцом.
• Анилин имеет историческое и практическое значение как сырьё для красителей и химической промышленности.

Куда дальше

Мы увидели, как углерод, кислород и теперь азот комбинируются в разных функциональных группах. В следующем уроке эти комбинации сойдутся в одной молекуле: карбоксильная группа из урока 16 и аминогруппа из этого урока вместе образуют аминокислоты — «кирпичики» белков.

➡ Урок 20: Аминокислоты и белки