Амины - химические и физические свойства, особенности строения органических соединений

У производных аммиака с замещенными атомами водорода или аминов химические свойства зависят от замещающих групп. Эти соединения в зависимости от состава могут быть газообразными, жидкими или твердыми. Низшие амины имеют характерный запах протухшей рыбы, высшие не пахнут.

Номенклатура и общая формула

Номенклатурное наименование азотсодержащего органического соединения может образовываться двумя способами:

• путем добавления к названиям связанных с азотом органических остатков окончания «амин»;

• добавляя приставку «амин» к наименованию высшего углевода.

Правильно применить правила к наименованию соединения можно, исходя из общей формулы и применимой классификации. 

В зависимости от количества замещенных в аммиаке NH₃ углеводородными радикалами атомов водорода, можно выделить следующие типы соединений:

1. R-NH₂, первичные амины.

2. R₂-NH, вторичные.

3. R₃-N, третичные соединения с замещением всех атомов водорода углеводородными радикалами.

Также возможно замещение четвертого атома водорода в катионе аммония, благодаря чему амины способны формировать аналоги солей аммония RH₄⁺.

Примеры номенклатурных наименований:

• CH₃NH₂ — метиламин, первичный тип соединения;

• (C₂H₅)₂NH – диэтиламин, вторичный амин с одинаковыми углеводородными радикалами.

Если углеводородные заместители не совпадают, их перечисляют в алфавитном порядке. Некоторые соединения этого типа больше известны под своими тривиальными названиями, например, фениламин также называют анилином.

Изомерия и структурные формулы аминов

Для производных аммиака с замещенными атомами водорода характерны два основных типа изомерии:

• структурная изомерия;

• оптическая изомерия.

Каждый тип структурных изомеров характеризуется низшим амином, начиная с которого он доступен. 

Можно выделить три основных признака структурных изомеров:

• изомерия углеродного скелета, при которой количество замещенных атомов водорода остается неизменным, но меняется структура углеводородного радикала;

• положение аминогруппы в углеводной цепочке наблюдаемое, начиная с пропанамина и изопропанамина;

• изомерия аминогруппы, при которой отличается количество атомов водорода, замещенных углеводородными цепочками.

Строение углеродного скелета изомеров на примере бутанамина:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-NH₂ 

бутиламин (бутанамин-1);

вторбутиламин (бутанамин-2);

изобутиламин (2-метилпропанамин-1);

третбутиламин (2-метилпропанамин-2).

Изменение положения аминогруппы в углеводородной цепочке также приводит к появлению изомеров.

Физические свойства

Благодаря полярной связи H-N амины обладают способностью формировать водородные связи, благодаря чему их температура кипения заметно выше, чем у углеводородов с той же длиной цепочки.

По мере увеличения молекулярной массы агрегатное состояние веществ в нормальных условиях меняется от газообразного к твердому. Газообразные метиламин, диметиламин и триметиламин имеют аммиачный запах. Жидкие вещества пахнут протухшей рыбой, твердые амины не пахнут.

Некоторые физические свойства приведены в таблице:

Химические свойства

Способность аминов вступать в химические реакции можно разделить на их поведение в водном растворе, взаимодействие с кислотами и окисление. Аналогичным образом ведут себя другие вещества, содержащие амидную группу, например, аминокислоты (аминоуксусная или глицин, аланин и др.).

Основные свойства эти вещества проявляют благодаря наличию на атоме азота электронной пары. Сила аминов как оснований относительно аммиака определяется типом углеводородных радикалов в их структуре: алифатические амины сильнее аммиака, а ароматические – слабее. Благодаря донорно-акцепторному взаимодействию с молекулами воды, их растворы имеют щелочную реакцию.

При взаимодействии с кислотами амины образуют нестабильные соли, разлагаемые при добавлении щелочи с выделением чистых аминов.

Реакции взаимодействия диметиламина с серной кислотой и получившегося сульфата метиламмония с выделением газообразного диметиламина:

2CH₃-NH₂ + H₂SO₄ → [CH₃-NH₃]₂SO₄

[CH₃-NH₃]₂SO₄ + 2NaOH → 2CH₃-NH₂ ↑ + Na₂SO₄ + H₂O

По взаимодействию с азотистой кислотой можно определить, к какому типу – первичному, вторичному или третичному относится реагирующее вещество. 

Качественная реакция с НNO₂ приводит к образованию:

• спирта - при реакции с первичным алифатическим амином с выделением азота;

• ароматического спирта - при соединении с первичным ароматическим амином при комнатной температуре;

• при реакции со вторичным амином любого типа образуется нитрозоамин - маслянистое желтоватое вещество, содержащее нитрозо-группу -N=O;

• при соединении с третичными ароматическими аминами образуются кристаллы зеленого цвета пара-нитропроизводных, являющихся результатом реакции замещения по бензольному кольцу.

Единственный тип веществ, не вступающий в реакцию с разбавленной азотистой кислотой при комнатной температуре – третичные алифатические амины. При горении этих соединений образуются вода, азот и углекислый газ.

Ароматические амины взаимодействуют с кислородом воздуха и окисляются, в результате чего темнеют.

Получение аминов

Промышленное получение этих азотсодержащих соединений началось с получения анилина русским химиком-органиком Н. Н. Зининым в 1842 году. Реакция, названная именем известного химика, предусматривает восстановление нитробензола сульфидом аммония по следующему химическому уравнению:

Промышленная схема производства анилина выглядит следующим образом:

Другие способы получения, используемые на производстве и в лабораторных условия, включают в себя:

• восстановление амидов алюмогидридом лития;

• восстановительную реакцию для получения первичных аминов, где в качестве исходного вещества предусматривается нитрил;

• различные виды реакции алкилирования, при которой в молекулы аммиака или низшего амина вводится алкильная группа.

Применение

Амины широко применяются в промышленности, в основном в качестве сырья. 

Известны следующие сферы их использования:

• в качестве сырья для производства синтетических волокон, таких как нейлон;

• как исходный компонент при производстве полиуретановых волокон и других видов этого полимера;

• как основа для изготовления анилиновых красителей;

• для синтеза средств борьбы с вредителями (фунгицидов, репеллентов, инсектицидов и др.);

• в качестве катализатора в химической промышленности и металлургии;

• в фармацевтическом и косметическом производстве.

Веществом, имеющим широкое применение, является анилин, активно использующийся для производства красителей, лекарственных средств различных типов, формальдегидных смол и взрывчатых веществ.

Вредное воздействие аминов

Почти все представители этого класса химических веществ представляют опасность для здоровья. Самый распространенный из них – анилин – обладает ядовитыми парами и легко проникает в организм через кожу. При отравлении этим веществом появляется одышка, посинение губ, учащенное сердцебиение. 

Первая помощь предусматривает смыв вредного вещества с кожи, чистый воздух и незамедлительный вызов медпомощи.

Заключение

Подведём итог вышесказанному:

• химия азотсодержащих органических соединений имеет широкое практическое применение в различных отраслях промышленности;

• производятся они путем восстановления азотсодержащих соединений;

• могут быть жидкими, твердыми или газообразным;

• в растворе имеют щелочную реакцию и вступают в реакцию с кислотами;

• в большинстве своем ядовиты.