А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 03 Производные алканов

R-NН2 + Н+ R-NН3+

значительно легче, чем спирты. Высокие оснóвные свойства аминов объясняются тем, что атом азота в аминах отдаѐт свою неподелѐнную электронную пару протону или другому акцептору значительно легче, чем соответствующий атом кислорода, из-за меньшего заряда ядра (и, соответственно, меньшей электроотрицательности). За счѐт +I-эффекта алкильных групп в целом все амины будут превосходить по основности аммиак, а основность самих аминов должна увеличиваться от первичных к вторичным и третичным. Однако приведѐнный ряд основности действителен только для газовой фазы и растворов в неполярных растворителях. В случае водных растворов отмечена другая закономерность: наиболее оснóвными являются вторичные амины, а основность третичных может быть ниже даже первичных:

R2NН > R-NН2 > R3N

Особое положение третичных аминов определяется тем, что продукты их протонирования (R3NН+) хуже гидратируются, чем продукты протонирования вторичных аминов, так как имеют только одну N–Н-связь. Образующиеся при протонировании аминов соли алкиламмония имеют разную склонность к гидратации: соли R2NH2+ легче гидратируются, чем соли R3NН+. Энергия гидратации этих соединений отражается на их устойчивости. Пример образования соли:

R3N + HCl [R3NH]+Cl — хлорид триалкиламмония

3.7.3.3. Нуклеофильность

Нуклеофильные свойства связаны с наличием атома азота с неподелѐнной парой электронов. Это проявляется во взаимодействии их с галоге-

налканами (см. алкилирование аминов по Гофману – гл. 3.2.2.1, п.3). Воз-

можно и взаимодействие спиртов с аминами. Галогеналканы и спирты реагируют с аминами по той же схеме и в целом легче, чем с аммиаком, из-за более высоких нуклеофильных свойств первичных и особенно вторичных аминов (влияние +I-эффекта алкильных групп у азота, увеличивающих на нѐм эффективный отрицательный заряд):

R +-Hal - + :NН2-R [R-NН2-R ]+Hal¯

Образуется аммониевая соль, которая с избытком первичного амина, выступающего в качестве акцептора галогеноводорода, даѐт молекулу вторичного амина, являющегося продуктом реакции:

[R-NН2-R ]+Hal + NН2-R R-NН-R + [NН3-R ]+Hal

146

Вторичные амины могут алкилироваться галогеналканами дальше с образованием третичных аминов и солей четвертичного аммония:

R" +

R-N-R' Hal

R'''

Таким образом, алкилирование аминов по Гофману приводит обычно к смеси вторичных и третичных аминов и солей четвертичного аммония. На практике этим способом можно получить лишь третичные амины из вторичных. Во всех других случаях образуется неразделимая смесь продуктов.

Примерами проявления аминами нуклеофильных свойств являются их реакции с производными карбоновых кислот (нуклеофильное замещение у sp2-гибридизованного углерода) и с альдегидами, кетонами и ацетиленовыми производными (нуклеофильное присоединение к кратной связи). Эти реакции, относящиеся также к свойствам соответствующих соединений, будут рассмотрены позже, в соответствующих главах.

Насыщенные амины в целом более нуклеофильны, чем аммиак. Но ещѐ более нуклеофильны амид-анионы RNH и R2N за счѐт большей локализации электронной плотности и, значит, отрицательного заряда на атоме азота. Электронодонорная способность такой частицы, то есть еѐ нуклеофильная активность, выше, чем у незаряженной и чем у частиц, не имеющих донорных заместителей у атома азота. Однако для образования таких нуклеофильных частиц в реакционной среде необходимо создание специальных условий, например, реакцию проводить в среде жидкого аммиака (то есть при температуре -33 С), так как в присутствии воды или спирта амид-ионы неминуемо превращаются в соответствующие нейтральные молекулы.

3.7.3.4. Расщепление солей аммония

Это пример реакций нуклеофильного замещения и отщепления в субстратах типа R-X, где акцепторной группой X является аммонийный атом азота.

Нуклеофильное замещение протекает в жѐстких условиях (при сильном нагревании), нуклеофилом при этом является анион соли:

[R3N+-CH2-R]Cl R3+N CH2-R + Cl R3N + Cl-CH2-R

Наиболее вероятный механизм — SN2.

Однако при высоких температурах с нуклеофильным замещением конкурирует реакция отщепления и доля продукта реакции отщепления здесь достаточно существенна, а для более разветвлѐнных субстратов образуется исключительно продукт E2-реакции. Относительно легко деструктурируются

147

гидроксиды четвертичного аммония, получаемые при обработке соответствующих солей гидроксидом серебра:

R4N+Сl + [AgOH] R4N+OH + AgСl

Такая деструкция (расщепление по Гофману) приводит к образованию третичного амина и алкена. Атака гидроксид-аниона происходит по -во- дородному атому алкильного радикала и исключительно по правилу Гофмана (с отрывом наиболее подвижного атома водорода), например:

Метильная группа у атома азота обычно не затрагивается. Однако при взаимодействии тетраметиламмонийгалогенидов (т.е. аммонийных солей, не имеющих -углеродных атомов) с такими сильными основаниями, как литийорганические соединения, нуклеофильное замещение не протекает, вместо этого образуются «илиды»:

Долгое время расщепление по Гофману с образованием алкенов проводили при упаривании водных растворов (при температуре 100 С и выше). В настоящее время эти реакции проводят в несольватирующих растворителях при 20 30 С. Они могут использоваться как способ получения алкенов.

3.7.3.5. Взаимодействие с азотистой кислотой

Взаимодействие аминов с азотистой кислотой — это реакция нитрозирования аминов. Азотистая кислота неустойчива, поэтому реакцию проводят в момент еѐ выделения при смешении водных растворов нитритов с минеральными кислотами. Продукты нитрозирования зависят от природы атома азота в исходном амине. При этом разные виды аминов ведут себя поразному.

Первичные амины на первой стадии нитрозируются нитрозонийкатионом NO+, нитрозацидий-катионом H2ONO+, нитрозилхлоридом NOCl

148

или оксидом азота (III) N2O3, которые могут возникать в растворе азотистой кислоты в момент еѐ получения:

HO-N=O + Н+ H2O+-N=O +N=O + H2O

+N=O + Cl NOCl

+N=O + NO2 N2O3

Рассмотрим реакцию нитрозирования с участием нитрозоний-катиона:

Образующийся катион алкандиазония малоустойчив и быстро разлагается с образованием спирта и выделением азота:

R-+N N + H2O R-OH + H+ + N2

Вторичные амины тоже подвергаются нитрозированию, но реакция заканчивается на стадии образования N-нитрозоамина:

R2N-H + +N=O R2NH+-N=O R2N-N=O + H+

При реакции азотистой кислоты с третичными аминами происходит только их протонирование и образуются растворимые в воде соли.

Таким образом, по отношению к взаимодействию с азотистой кислотой можно различить первичные, вторичные и третичные амины.

3.7.3.6. Изонитрильная реакция

При взаимодействии хлороформа со щѐлочью образуется дихлоркарбен, который затем присоединяется к первичному амину. Полученный аддукт дважды дегидрохлорируется с образованием нового производного четырѐхвалентного азота, называемого изонитрилом или изоцианидом:

Cl

149

Общая схема реакции:

RNH2 + CHCl3 + 3 OH R-N C + 3 H2O + 3 Cl

Это качественная реакция на первичные амины. Протекание реакции обнаруживается по неприятному запаху.

3.7.3.7. Окисление

Амины склонны к окислению. Так, в контролируемых условиях первичные амины дают N-алкилгидроксиламины, оксимы, нитрозоалканы и нитроалканы:

В качестве окислителей могут использоваться в первых двух случаях пероксисерная кислота (кислота Каро*) H2SO5, а при окислении до нитроалканов

— трифторпероксиуксусная кислота CF3COOOH.

Вторичные амины окисляются до N,N-диалкилгидроксиламинов:

R2N-H R2N-OH

Третичные амины окисляются до N-оксидов:

R3N R3N+-O

3.7.4.СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

1.Распространѐнным способом получения аминов является аммонолиз галогеналканов и, как продолжение его, алкилирование аминов по Гофману

— эти реакции рассмотрены в химических свойствах (гл. 3.2.2.1 и 3.7.3.3). Однако данным способом обычно получается смесь первичных, вторичных и третичных аминов.

2.Амины могут быть получены и при алкилировании аммиака спиртами — эта реакция также рассмотрена в химических свойствах (гл. 3.3.3.1). Она лежит в основе промышленного метода получения аминов.

3.Одним из способов получения насыщенных аминов является полное восстановление нитросоединений (или других азотсодержащих соединений) по схеме:

150

6. Один из способов получения чистых вторичных аминов из первичных заключается в использовании аренсульфохлоридов (гл. 10.3.5.1). Первая стадия — превращение аренсульфохлоридов в N-алкиларенсульфамиды:

где Ar – ароматический углеводородный радикал

Вторая стадия — образование сульфамидом соли при взаимодействии со щѐлочью:

И затем — алкилирование этого сульфамид-аниона галогеналканом (например, бромоалканом) по атому азота, то есть нуклеофильное замещение атома галогена в галогеналкане сульфамидной группой:

Ar SO2-N-R + R'-Br - Br - Ar SO2-N-R

R'

И, наконец, кислотный гидролиз образовавшегося диалкилсульфамида:

3.7.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ

Среди алифатических аминов особое значение для медицинской практики имеют производные бис( -хлорэтил)амина, которые применяются в качестве противоопухолевых веществ. Злокачественные опухоли — это заболевания, связанные с усиленным размножением клеток, приводящим к быстрому росту новообразованной опухолевой ткани, которая давит на соседние органы, прорастая сквозь ткани и дезорганизуя работу организма. Большую роль в возникновении злокачественных опухолей играет нарушение обмена нуклеиновых кислот. Различные производные бис( -хлорэтил)амина оказывают тормозящее действие на размножение клеток, блокируя их митотическое деление. Механизм действия лекарственных веществ этой группы основан на их алкилирующем действии и способности легко реагировать с нуклеиновыми кислотами, белками и ферментами. Эти вещества также легко взаимодействуют с нуклеопротеидами (белок и нуклеиновая кислота) кле-

152

точных ядер кроветворных тканей. Высокой чувствительностью к производным бис-( -хлорэтил)-амина обладают ядра клеток опухолевой ткани. Таким образом, вещества этой группы, с одной стороны, способны тормозить рост опухолевой ткани, с другой — угнетают процесс кроветворения и являются токсичными веществами.

Метиламин — бесцветный газ с острым запахом, подобным запаху аммиака. Хорошо растворяется в воде.

Хлорид метиламмония образует бесцветные кристаллы с температурой плавления 225 С.

В промышленности метиламин получают каталитическим гидрированием циановодорода или при взаимодействии метанола и аммиака над катализатором при повышенной температуре.

Метиламин применяется в органическом синтезе для получения лекарственных веществ, красителей и поверхностно-активных веществ.

Диметиламин — газ с неприятным запахом, хорошо растворимый в

воде.

Хлорид диметиламмония — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 171 С.

Диметиламин получают каталитическим алкилированием аммиака метанолом. Его используют в синтезе лекарственных веществ и растворителей.

Триэтиламин — бесцветная жидкость с характерным запахом аминов. В промышленности его получают каталитическим алкилированием аммиака этанолом.

Триэтиламин используют в органическом синтезе в качестве исходного вещества, растворителя и оснóвного катализатора.

Этилендиамин — бесцветная жидкость с запахом аммиака, хорошо растворяется в воде.

Его получают из дихлорэтана и аммиака.

Этилендиамин является важным исходным веществом для синтеза аналитических реагентов (комплексонов) и фунгицидов. Соли этилендиамина с высшими карбоновыми кислотами применяются в текстильной промышленности в качестве мягчителей.

Тетраметилендиамин (путресцин) — кристаллическое вещество с температурой плавления 27 28 С и пентаметилендиамин (кадаверин) —

жидкость с температурой кипения 178 С. Растворимы в воде. Образуются при гнилостном разложении трупов. Относятся к группе трупных ядов.

Гексаметилендиамин — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 315 К и температурой кипения 204 С. Растворим в воде.

В промышленности получают из динитрила адипиновой кислоты

N C-(CH2)4-C N.

Используют для получения полиамидов и синтетического волокна (найлон).

153

Этаноламины H2NCH2CH2ОH, HN(CH2CH2ОH)2, N(CH2CH2ОH)3 —

бесцветные вязкие жидкости, при низких температурах — кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.

Этаноламины используют в органическом синтезе для получения эмульгаторов, моющих средств и косметических препаратов как адсорбенты кислых газов и как ингибиторы коррозии.

Холин [(CH3)3N+CH2CH2ОH]ОH — бесцветное гигроскопичное кристаллическое вещество. По свойствам ему более соответствует строение внутренней соли (CH3)3N+CH2CH2О H2О.

Холин широко распространѐн в животных и растительных тканях, высоко его содержание в нервной ткани. Холин играет важную роль в обмене веществ, входит в состав фосфолипидов. См. также далее, гл. 6.4.7.

3.8. НИТРОАЛКАНЫ

Нитроалканы — это производные предельных углеводородов, в молекуле которых один или несколько атомов водорода замещены нитрогруппой

-NO2.

В названиях нитросоединений по заместительной номенклатуре нитрогруппа, как заместитель, всегда присутствует в виде приставки нитро-. Ради- кало-функциональная номенклатура для названия нитросоединений не используется. Примеры:

3.8.1.СТРОЕНИЕ

Внитрогруппе атом азота находится в состоянии sp2-гибридизации: его три -связи образованы за счѐт двух валентных электронов и неподелѐнной пары, которую атом азота предоставляет одному из атомов кислорода. Такая связь является семиполярной. В результате атом азота приобретает положительный заряд, а кислородный атом — отрицательный заряд. Электрон, находящийся на негибридной рz-орбитали атома азота, участвует в образова-

нии -связи с другим атомом кислорода.

Нитрогруппа является сопряжѐнной системой, в которой обе связи N–O выравниваются, кислородные атомы становятся одинаковыми:

154

Нитрогруппа содержит сильно электроотрицательные атомы (N, O) и поэтому обладает значительным электроноакцепторным эффектом.

3.8.2. СВОЙСТВА

Нитроалканы — бесцветные или желтоватые жидкости со слабым запахом или кристаллические вещества. Это высокополярные соединения ( = 3.17 3.7 D), однако обладают плохой растворимостью в воде, что можно объяснить их склонностью к самоассоциации.

Химические свойства нитроалканов определяются как реакциями нитрогруппы (восстановление, гидролиз), так и реакциями с участием -угле- родного атома.

3.8.2.1. Кислотность

В молекулах первичных и вторичных нитроалканов -атомы водорода обладают большой подвижностью и могут отщепляться в виде протона из-за акцепторного влияния нитрогруппы. Эти соединения полностью растворяются в водных растворах щелочей, образуя соли:

При нейтрализации щелочных растворов соли нитроалканов превращаются в так называемые аци-формы — нитроновые кислоты. Аци-формы быстро переходят в классические структуры. Такое явление называется динамической изомерией или таутомерией.

Таутомерную систему характеризуют константой таутомерного равновесия или иногда содержанием одного из таутомеров (в процентах). В растворах равновесие

155