Какие свойства проявляет метиламин

Ами́ны — органические соединения, являющиеся производными аммиака, в молекуле которого 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 R4N+X-[1].

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 NH2-групп в молекуле амины делят на моноамины, диамины, триамины либо полиамины[1].

Номенклатура[править | править код]

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) CH3NH2 — метанамин;
(2) CH3NH2 — метилазан;
(3) CH3NH2 — метиламин[2].

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) (CH3CH2)2NCH2CH3 — N,N-диэтилэтанамин;
(2) (CH3CH2)2NCH2CH3 — триэтилазан;
(3) (CH3CH2)2NCH2CH3 — триэтиламин[2].

В более сложных структурах, где аминогруппа не является старшей, она обозначается в виде префикса «амино-» (H2NCH2CH2COOH — 3-аминопропановая кислота). Если эта аминогруппа дополнительно замещена, название заместителя помещают перед ней в виде приставки ((CH3NH)2CHCH2CH2COOH — 4,4-бис(метиламино)бутановая кислота)[2].

Диамины, триамины и т. д. называют, добавляя перед суффиксом «-амин» множащие приставки «ди-», «три-», «тетра-» и т. д. (H2NCH2CH2NH2 — этандиамин-1,2, этилендиамин)[2].

Многие ароматические амины сохраняют тривиальные названия: анилин PhNH2, толуидины CH3C6H4NH2, анизидины CH3OC6H4NH2[3].

Физические свойства и строение[править | править код]

Физические свойства аминов[править | править код]

Низшие амины — метиламин, диметиламин, триметиламин и этиламин — при комнатной температуре являются газами. Высшие амины до 12 атомов углерода являются жидкостями. Амины с более длинными заместителями являются твёрдыми веществами[4].

Низшие амины смешиваются с водой. Трибутиламин смешивается с водой частично[4].

Амины имеют характерный рыбный запах, который можно почувствовать при концентрации амина 0,1 м. д.[4]

Строение аминогруппы[править | править код]

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°[5].

Инверсия атома азота[править | править код]

Имея тетраэдрическое строение, sp3-гибридный атом азота в аминах постоянно претерпевает инверсию через sp2-гибридное состояние. Энергетический барьер для инверсии у алкиламинов составляет 16-40 кДж/моль. При комнатной температуре скорость инверсии оставляет 103−105Гц. 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 основание Трёгера, в котором конфигурация атомов азота закреплена и которое существует в виде двух стереоизомеров[6]. Также стереохимически стабильны четвертичные аммониевые соли[5].

Спектральные характеристики[править | править код]

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[3].

Алифатические амины не поглощают в видимой и ультрафиолетовой области спектра. Ароматические амины имеют две полосы поглощения, соответствующие π→π*-переходам[3].

Получение[править | править код]

Из спиртов[править | править код]

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[7].

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[7].

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[7].

Из карбонильных соединений[править | править код]

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[8].

Из нитрилов[править | править код]

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[8].

Другие промышленные методы[править | править код]

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 полиамины, аллиламин и некоторые малотоннажные лекарственные препараты. Проблемой в данном подходе является отсутствие дешёвого сырья, коррозия, а также проблемы с качеством продуктов[9].

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[9]. 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[3].

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[9].

Лабораторные методы[править | править код]

В лабораторных условиях амины получают разнообразными методами: синтезом по Габриэлю, восстановлением нитрилов водородом, алюмогидридом лития либо дибораном, восстановлением амидов под действием тех же реагентов, восстановлением азидов, оксимов и нитросоединений[10].

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, боргидридом натрия или цианобогидридом натрия[10].

Кроме того, первичные амины можно получить из карбоновых кислот при помощи перегруппировок Гофмана, Шмидта и Курциуса[10].

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[11]. Селективность может быть улучшена с помощью реакции Делепина, хотя это редко используется в промышленном масштабе.

Прямое электрофильное аминирование[править | править код]

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 SEAr, с участием катиона аминодиазония H2N3+[12].

Химические свойства[править | править код]

Основные свойства[править | править код]

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 Kb либо pKb[13].

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.[13].

Ароматические амины являются более слабыми основаниями, что связывают с делокализацией неподелённой пары атома азота по ароматическому ядру[13].

Амины являются очень слабыми кислотами: pKa для них составляет порядка 35-40. Соответственно, анионы, получаемые из аминов, являются очень сильными основаниями, что находит применение в органическом синтезе (см. LDA)[13].

Алкилирование аминов[править | править код]

Амины реагируют с алкилгалогенидами по механизму нуклеофильного замещения с образованием более замещённых аминов. Реакция протекает в диполярных апротонных растворителях (ДМФА, ацетонитриле)[14].

Ацилирование аминов[править | править код]

Первичные и вторичные амины вступают в реакции ацилирования с галогенангидридами, ангидридами карбоновых кислот, сложными эфирами. Ацилирующие реагенты можно расположить в ряд активности: RCOR < RCONR2 < RCOOR < (RCO)2O < RCOHal < RCOBF4. Также скорость реакции зависит от нуклеофильности амина, которую условно можно связать с основностью амина: алкиламины > ариламины > амиды. Внутримолекулярное ацилирование происходит легче, чем межмолекулярное[15].

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.[15]

Реакция с альдегидами и кетонами[править | править код]

При реакции с альдегидами и кетонами первичные амины образуют имины (основания Шиффа), а вторичные амины дают енамины[14].

Реакция с азотистой кислотой[править | править код]

Реакция с азотистой кислотой является качественной для идентификации первичных, вторичных и третичных аминов. Первичные алифатические амины диазотируются азотистой кислотой с образованием солей алкилдиазония. Эти соли даже в мягких условиях разлагаются с выделением газообразного азота и образованием карбокатиона, который может превратиться в алкен, спирт или другое устойчивое соединение[14]. Иногда эту реакцию используют для расширения цикла, как, например, в перегруппировке Демьянова[3].

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[14].

Вторичные амины (алифатические и ароматические) при действии азотистой кислоты нитрозируются по атому азота, давая жёлтые N-нитрозоамины[14][3].

Алифатические третичные амины дают смесь соли амина и N-нитрозоаммонийной соли[14], а ароматические третичные амины нитрозируются в пара-положение[3].

Реакция с сульфонилгалогенидами[править | править код]

Реакция аминов с бензолсульфонилхлоридом либо пара-толуолсульфонилхлоридом также является качественной реакцией на первичные, вторичные и третичные амины и называется тестом Хинсберга. 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 RNHSO2Ar, который в щёлочи растворяется благодаря наличию кислого атома водорода при атоме азота. При добавлении кислоты он выпадает в осадок[14].

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[14].

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[14].

Галогенирование аминов[править | править код]

Под действием гипохлоритов первичные и вторичные амины галогенируются по атому азота[14].

Окисление аминов[править | править код]

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[14].

Первичные амины могут окисляться до нитросоединений. В качестве окислителя в этой реакци используют трифторнадуксусную кислоту[14].

Реакции ароматических аминов[править | править код]

Ароматические амины (анилины) вступают в типичные реакции ароматического электрофильного замещения. Поскольку аминогруппа является активирующим заместителем, эти реакции протекают очень активно даже под действием мягких реагентов[14].

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[14].

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[14].

Защитные группы для аминов[править | править код]

В органическом синтезе применяется большое разнообразие защитных групп для аминов. Наибольшую популярность получили группы Cbz (бензилоксикарбонильная) и Boc (трет-бутоксикарбонильная). Бензилоксикарбонильную группу вводят обработкой амина бензиловым эфиром хлоругольной кислоты PhCH2OCOCl в присутствии основания. Удалить её можно гидрогенолизом либо бромоводородом в уксусной кислоте. Группа Boc вводится с помощью ди-трет-бутилдикарбоната, а удаляется при обработке кислотой[16].

Методы определения[править | править код]

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 под