Учебник Органическая химия Щеголев 2016

CH3-CH-CH2-N-CH2CH3 — N-метил-N-этил-2-метилпропан-1-амин,

Однако для вторичных и третичных аминов допускаются и другие названия. Углеродная цепь одного из углеводородных радикалов выбирается за основу, а атом азота с имеющимися у него другими углеводородными радикалами является заместителем, название которого присутствует в названии амина в виде приставки.

Тривиальные названия насыщенных аминов не столь широко распространены, однако можно отметить: NH2CH2CH2CH2CH2NН2 — путресцин, NH2CH2CH2CH2CH2CH2NН2 — кадаверин, (CН3)3N — рыбный газ.

Для аминов характерны те же виды изомерии, что и для спиртов. Однако солям третичного и четвертичного аммония присуща и оптическая изомерия, когда хиральным центром является тетраэдрический атом азота. Например, для катиона третичного аммония:

CH2CH2CH3

3.7.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Низшие предельные амины представляют собой газы или жидкости с запахом, похожим на аммиак; с увеличением длины углеводородного радикала запах изменяется и напоминает запах рыбы. Амины с бóльшим числом углеродных атомов или двумя первичными или вторичными аминогруппами

161

могут быть также кристаллическими веществами; такие амины запахом не обладают.

Температуры кипения насыщенных аминов выше, чем неполярных соединений, но ниже, чем спиртов и кислот. Это связано с ассоциацией молекул аминов из-за образования водородных связей, однако эти связи менее прочны, чем в воде или спиртах.

Амины хорошо растворимы как в воде (особенно низшие), так и в органических растворителях.

3.7.3. СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Атом азота в молекулах насыщенных аминов имеет гибридизацию

лѐнной пары электронов азота амины могут проявлять оснóвные и нуклеофильные свойства. А в том случае, когда хотя бы вместо одного углеводородного радикала у атома азота присутствует атом водорода, то есть имеется сильно полярная связь N–Н, амины могут проявлять и кислотные свойства.

3.7.3.1. Кислотность

Первичные и вторичные амины проявляют слабые кислотные свойства, немного уступая в этом аммиаку и сильно — спиртам. Так, для метанола pKa = 15.2, а для метиламина рKa 36. Так же как и в случае спиртов, кислотные свойства уменьшаются в гомологическом ряду аминов и по мере разветвления углеводородного радикала. По той же причине первичные амины обладают самыми высокими кислотными свойствами из первичных и вторичных. (В третичных аминах подвижный атом водорода у азота отсутствует). Поэтому со щелочными металлами даже первичные амины взаимодействуют очень медленно:

R-NН2 + Na R-NHNa + 1 2 H2

алкиламид натрия

Кислотные свойства проявляются и в реакциях аминов с металлорганическими соединениями (реакция Чугаева–Церевитинова, в которой происходит отщепление протона от молекулы амина и образование более слабой кислоты — метана):

R2N-Н + CH3-MgI R2N-MgI + CH4

162

3.7.3.2. Основность

Амины легко протонируются кислотами

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

Образующиеся при протонировании катионы третичного аммония R3NН+ хуже гидратируются, чем катионы вторичного аммония R2NH2+, так как имеют только одну N–Н-связь. И поэтому соли вторичного аммония более устойчивы в водных растворах, чем третичного.

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:

163

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

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

164

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

166

Cl

Cl

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.

167

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:

Однако такой способ пригоден только для получения первичных аминов, но образующиеся амины всегда загрязнены продуктами неполного восстановления нитросоединений (оксимы, азо- и гидразосоединения и др.).

4. Другим способом получения чистых первичных аминов является синтез Габриэля:

фталевая кислота

Первая стадия здесь — взаимодействие галогеналкана с фталимидом калия, являющимся нуклеофилом, — типичная реакция SN в ряду галогеналканов. За ней следует гидролиз образовавшегося N-алкилфталимида, который обычно проводят в солянокислой среде. Подробнее о закономерностях протекания таких реакций — см. в свойствах карбоновых кислот и их производ-

ных (гл. 6.4.4.2, 10.9.3.2).

5. Ещѐ одним способом получения чистых первичных аминов является перегруппировка Гофмана (называемая ещѐ, расщепление амидов по Гофма-

ну):

168

Механизм этой реакции, относящейся к свойствам амидов карбоновых кислот, рассмотрен в главе 6.4.4.5.

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

169

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) клеточных 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.

170