Aminer

Primär amin sekundär amin Tertiär amin

Aminer  är organiska föreningar som är derivat av ammoniak , i vars molekyl flera väteatomer är ersatta av kolväteradikaler . Beroende på antalet substituerade väteatomer särskiljs primära (en väteatom ersätts), sekundära (två av tre atomer ersätts) och tertiära aminer (alla tre atomerna är utbytta) respektive. Det finns också kvartära ammoniumföreningar av formen R 4 N + X - [1] .

Genom beskaffenheten av den organiska gruppen associerad med kväve särskiljs alifatiska , aromatiska och fettaromatiska (innehållande aromatiska och alifatiska radikaler) aminer. Aromatiska aminer kallas aniliner . Beroende på antalet NH 2 -grupper i molekylen delas aminer in i monoaminer, diaminer, triaminer eller polyaminer [1] .

Nomenklatur

IUPAC- rekommendationerna föreskriver följande regler för namngivning av aminer. I fallet med primära aminer används en av tre metoder: (1) lägg till suffixet "-amin" till namnet på moderkolvätet (föredraget); (2) lägg till namnet på ersättningen till roten "azan", eller (3) lägg till namnet på ersättningen till roten "amin". Till exempel:

(1) CH3NH2 - metanamin  ; (2) CH3NH2 - metylazan  ; (3) CH3NH2 - metylamin  [ 2 ] .

För sekundära och tertiära aminer används liknande riktlinjer: (1) gör ett substitutionsnamn med suffixet "-amin" och ange de återstående substituenterna på kväveatomen (föredraget); (2) indikera substituenterna i alfabetisk ordning som prefix till roten "azan" eller (3) indikera substituenterna i alfabetisk ordning som prefix till roten "amin". Till exempel:

( 1 ) ( CH3CH2 ) 2NCH2CH3 - N , N  - dietyletanamin ; _  ( 2 ) ( CH3CH2 ) 2NCH2CH3 - trietylazan ; _ (3) (CH 3 CH 2 ) 2 NCH 2 CH 3  - trietylamin [2] .

I mer komplexa strukturer, där aminogruppen inte är den äldsta, betecknas den som prefixet "amino-" (H 2 NCH 2 CH 2 COOH - 3-aminopropansyra). Om denna aminogrupp är ytterligare substituerad, placeras namnet på substituenten framför den som ett prefix ((CH 3 NH) 2 CHCH 2 CH 2 COOH - 4,4-bis (metylamino) butansyra) [2] .

Diaminer, triaminer, etc. kallas genom att addera multiplicerande prefix "di-", "tri-", "tetra-", etc. (H 2 NCH 2 CH 2 NH 2  - etandiamin- 1,2, etylendiamin) [2] .

Många aromatiska aminer behåller triviala namn: anilin PhNH 2 , toluidiner CH 3 C 6 H 4 NH 2 , anisidiner CH 3 OC 6 H 4 NH 2 [3] .

Fysiska egenskaper och struktur

Fysikaliska egenskaper hos aminer

De lägre aminerna, metylamin , dimetylamin , trimetylamin och etylamin  , är gaser vid rumstemperatur. Högre aminer upp till 12 kol är vätskor. Aminer med längre substituenter är fasta ämnen [4] .

Lägre aminer är blandbara med vatten. Tributylamin är delvis blandbar med vatten [4] .

Aminer har en karakteristisk fiskig lukt som kan kännas vid en aminkoncentration på 0,1 ppm [4]

Strukturen för aminogruppen

Aminogruppen har en pyramidstruktur: pyramiden bildas av tre substituenter av kväveatomen, och vid den fjärde spetsen av tetraedern finns ett odelat elektronpar. N -H-bindningslängden i metylamin är 1,011 Å, medan C-N-bindningslängden är 1,474 Å. H–N–H-vinkeln är 105,9° och C–N–H-vinkeln är 112,9° [ 5] .

Kväveatominversion

Med en tetraedrisk struktur genomgår sp 3 hybridkväveatomen i aminer konstant inversion genom sp 2 hybridtillståndet. Energibarriären för inversion i alkylaminer är 16-40 kJ/mol. Vid rumstemperatur är inversionshastigheten 10 3 −10 5 Hz . Detta leder till det faktum att om en amin har tre olika substituenter på kväveatomen, kan enantiomera strukturer teoretiskt avbildas för den, men i praktiken kan de inte särskiljas, eftersom de på grund av inversion snabbt övergår i varandra. Undantaget är Trögerbasen , där kväveatomernas konfiguration är fixerad och som finns i form av två stereoisomerer [6] . Kvartära ammoniumsalter är också stereokemiskt stabila [5] .

Spektrala egenskaper

IR-spektra för aminer kännetecknas av närvaron av band som motsvarar vibrationer av NH-bindningar. För primära aminer visas dessa vibrationer som två band i intervallet 3400–3380 cm – 1 och 3340–3320 cm– 1 (banden motsvarar symmetriska och antisymmetriska vibrationer av NH). Sekundära aminer har bara ett band vid 3360-3310 cm −1 . Tertiära aminer har inga absorptionsband i denna region. Aromatiska aminer har samma antal band respektive i området 3500–3300 cm– 1 [3] .

Alifatiska aminer absorberas inte i de synliga och ultravioletta områdena av spektrumet. Aromatiska aminer har två absorptionsband som motsvarar π→π*-övergångar [3] .

Får

Från alkoholer

Den industriella standardmetoden för framställning av lägre aminer är reaktionen av motsvarande alkohol med ammoniak över en lämplig katalysator . Eftersom den resulterande primära aminen också kan reagera med alkohol, är produkten alltid en blandning av primär, sekundär och tertiär amin. Dessutom är bildningen av sekundär och tertiär amin exoterm och därför fördelaktig. Produkternas sammansättning kan styras av förhållandet mellan reagenser, temperatur och syntesens varaktighet [7] .

Ammoniak, alkohol och väte passerar över katalysatorer baserade på nickel , kobolt , koppar , järn , mer sällan platina och palladium . Aluminiumoxid , kiseloxid och zirkoniumoxid används som substrat . Reaktionsförhållanden: 0,5–25 MPa, 100–250 °C (beroende på katalysator). Man tror att processen fortsätter i tre steg:

För att flytta jämvikten mot primära aminer används ett dubbelt överskott av ammoniak. Enligt reaktionsekvationen krävs inte ytterligare väte i den, men i frånvaro bildas biprodukter: iminer, enaminer och nitriler . Närvaron av väte bidrar också till katalysatorns aktivitet [7] .

Från karbonylföreningar

I analogi med föregående metod erhålls aminer genom reaktion av ammoniak med karbonylföreningar. I detta fall måste produkten hydreras, så väte förbrukas i en stökiometrisk mängd. Katalysatorerna som används är desamma som vid syntes av aminer från alkoholer [8] .

Från nitriler

Nitriler hydreras industriellt katalytiskt till motsvarande primära aminer. Ädelmetaller ( palladium , platina , rodium ), nickel , kobolt och även järn används som katalysatorer . Ädelmetaller tillåter reaktionen att utföras under milda förhållanden: 20–100 °C, 0,1–0,5 MPa, medan nickel- och koboltkatalysatorer kräver temperaturer upp till 180 °C och ett tryck på 25 MPa [8] .

Från halogenderivat

Genom Delepin-reaktionen (via hexamin )

Syntes enligt Gabriel

Andra industriella metoder

Det traditionella preparativa tillvägagångssättet, baserat på reaktionen av alkylhalogenider och ammoniak eller aminer för att bilda ammoniumsalter, har inte funnit någon bred tillämpning inom industrin. För närvarande erhålls endast etylendiamin , polyaminer som är homologa med den , allylamin och vissa lågvolymläkemedel på detta sätt. Problemet med detta tillvägagångssätt är bristen på billiga råvaror, korrosion , samt problem med kvaliteten på produkterna [9] .

Reduktionen av nitroföreningar används sällan eftersom de ursprungliga nitroalkanerna inte är särskilt allmänt tillgängliga. Från och med 2015 används denna metod för syntes av 2-amino-2-metylpropanol-1 [9] . Primära aromatiska aminer erhålls med denna metod väl: oftast, för att erhålla dem, hydreras aromatiska nitroföreningar med väte i vätske- eller gasfas i närvaro av nickel, platina eller palladium. Järn eller zink och alkalimetallsulfider används också [3] .

Aminer med en tertiär kolvätesubstituent, såsom tert -butylamin , är mycket svåra att erhålla med konventionella metoder. De syntetiseras av Ritter-reaktionen genom att tillsätta vätecyanid till en alken i närvaro av koncentrerad svavelsyra . Processen utförs vid 30-60°C, och den resulterande mellanprodukten hydrolyseras vid 100°C. Användningen av Ritter-reaktionen är mycket begränsad på grund av användningen av giftig vätecyanid, och även på grund av bildandet av en betydande mängd sidosalter (3,3 kg per 1 kg tert -butylamin ), som måste kasseras [9 ] .

Laboratoriemetoder

Under laboratorieförhållanden erhålls aminer med en mängd olika metoder: Gabriel-syntes , reduktion av nitriler med väte , litiumaluminiumhydrid eller diboran , reduktion av amider under inverkan av samma reagens, reduktion av azider , oximer och nitroföreningar [10] .

Primära och sekundära aminer framställs lämpligen genom den reduktiva amineringsreaktionen . För syntes av primära aminer införs en karbonylförening och ammoniak i reaktionen, och för syntes av sekundära aminer införs en karbonylförening och en primär amin i reaktionen. Den resulterande Schiff-basen reduceras sedan med väte, natriumborhydrid eller natriumcyanoborhydrid [10] .

Dessutom kan primära aminer erhållas från karboxylsyror med Hoffmann , Schmidt och Curtius omarrangemang [10] .

En laboratoriemetod är reaktionen av aminer och ammoniak med haloalkaner :

RX + 2 R'NH2 → RR'NH + [RR'NH2] X

Sådana reaktioner, som är mest användbara för alkyljodider och bromider, används sällan eftersom graden av alkylering är svår att kontrollera [11] . Selektiviteten kan förbättras med Delepin-reaktionen , även om denna sällan används i industriell skala.

Direkt elektrofil aminering

Framställningen av aromatiska aminer genom direkt elektrofil aminering av aromatiska kolväten har länge ansetts vara omöjlig. Under 2019 visade ryska forskare från Tomsk Polytechnic University möjligheten till direkt aminering av arener med hydrazoesyra enligt den klassiska S E Ar-mekanismen, med deltagande av aminodiazoniumkatjonen H 2 N 3 + [12] .

Kemiska egenskaper

Grundläggande egenskaper

Aminer, som är derivat av ammoniak, har en struktur som liknar den och uppvisar egenskaper som liknar den. Kväveatomen innehåller ett ensamt elektronpar och fungerar som en Lewis-bas . Aminer är starkare baser än vatten, så de uppvisar också egenskaperna hos Brønsted-Lowry-baser . Numeriskt uttrycks de grundläggande egenskaperna hos aminer av basicitetskonstanten Kb eller pKb [ 13 ] .

Aminer är starkare baser än ammoniak , på grund av donatoreffekten av alkylgrupper . Men av alla aminer är sekundära aminer de starkaste baserna. Tertiära aminer förlorar till dem i basicitet, vilket är förknippat med rumsliga hinder för överföringen av en proton till dem och den efterföljande solvatiseringen av den resulterande ammoniumkatjonen . I gasfasen, där det inte finns några solvatiseringseffekter, minskar basiciteten av aminer förutsägbart i följande ordning: tertiär > sekundär > primär > ammoniak. [13] .

Denna regelbundenhet är emellertid förvrängd i vattenlösningar; närvaron av en tredje substituent skapar steriska hinder både för tillsatsen av en proton och för solvatiseringen av den resulterande katjonen av lösningsmedelsmolekyler.

Aromatiska aminer är svagare baser, vilket är associerat med delokaliseringen av det ensamma paret av kväveatomen längs den aromatiska kärnan [13] .

titel formel pKb _ pKa (BH+) pK a
dietylamin Et2NH _ _ 3.06 10,94
trietylamin Et3N _ _ 3,25 10,75
dimetylamin ( CH3 ) 2NH _ 3.27 10,73
metylamin ( CH3 ) NH2 3,36 10,64
etylamin EtNH2 _ 3,37 10,63
trimetylamin ( CH3 ) 3N _ 4.19 9,81
ammoniak NH3 _ 4,79 9.21 [14] ~33
4-metoxylanilin 8,66 5,34
4-metylanilin 8,90 5.10 8,83
anilin 9,38 4,62
4-kloranilin 10.02 3,98
4-nitroanilin 4 - NO2C5H4NH2 _ _ _ _ _ 13 1.0
i genomsnitt karakteriseras aminer
förening Alkylaminer NH3 _ Arylaminer
pKa (BH+) 10.6 - 11.2 9,26 4,6 - 5,1

Aminer är mycket svaga syror: pK a för dem är i storleksordningen 35-40. Följaktligen är anjoner som härrör från aminer mycket starka baser, som finner tillämpning i organisk syntes (se LDA ) [13] .

Alkylering av aminer

Aminer reagerar med alkylhalider genom mekanismen för nukleofil substitution för att bilda mer substituerade aminer. Reaktionen fortskrider i dipolära aprotiska lösningsmedel ( DMF , acetonitril ) [15] .

Acylering av aminer

Primära och sekundära aminer ingår i acyleringsreaktioner med syrahalider , karboxylsyraanhydrider och estrar . Acyleringsreagensen kan ordnas i aktivitetsserien: RCOR < RCONR 2 < RCOOR < (RCO) 2 O < RCOHal < RCOBF 4 . Reaktionshastigheten beror också på aminens nukleofilicitet , vilket kan vara villkorligt relaterat till aminens basicitet : alkylaminer > arylaminer > amider. Intramolekylär acylering sker lättare än intermolekylär [16] .

I reaktionen med syraklorider frigörs väteklorid , därför måste en dubbel mängd amin tas in i reaktionen så att den andra ekvivalenten binder denna väteklorid. Det resulterande ammoniumsaltet fälls ut och filtreras. Som en konsekvens är det maximala utbytet av amid från amin 50%. Alternativt kan andra organiska och oorganiska baser användas för att öka utbytet. Till exempel använder Schotten-Baumann-reaktionen natriumhydroxid eller kaliumhydroxid . Från organiska baser används pyridin , dimetylanilin , trietylamin , etc. [16]

Reaktion med aldehyder och ketoner

När de reageras med aldehyder och ketoner bildar primära aminer iminer (Schiff-baser), och sekundära aminer ger enaminer [15] .

Reaktion med salpetersyrlighet

Reaktionen med salpetersyrlighet är kvalitativ för identifiering av primära, sekundära och tertiära aminer. Primära alifatiska aminer diazotiseras med salpetersyrlighet för att bilda alkyldiazoniumsalter . Dessa salter, även under milda förhållanden, sönderdelas med frigörandet av gasformigt kväve och bildandet av en karbokatjon, som kan förvandlas till en alken , alkohol eller annan stabil förening [15] . Ibland används denna reaktion för att expandera cykeln, som till exempel i Demyanov-omläggningen [3] .

I motsats till alifatiska bildar primära aromatiska aminer stabila arendiazoniumsalter under diazotering, som kan ersätta en kvävemolekyl med en nukleofil eller i azokopplingsreaktioner [15] .

Sekundära aminer (alifatiska och aromatiska) under inverkan av salpetersyrlighet nitroseras vid kväveatomen, vilket ger gula N-nitrosaminer [15] [3] .

Alifatiska tertiära aminer ger en blandning av ett aminsalt och ett N-nitrosoammoniumsalt [15] , medan aromatiska tertiära aminer nitroseras i parapositionen [3] .

Reaktion med sulfonylhalider

Reaktionen av aminer med bensensulfonylklorid eller para-toluensulfonylklorid är också en kvalitativ reaktion för primära, sekundära och tertiära aminer och kallas Hinsberg-testet . I denna reaktion blandas en amin och en sulfohalid och skakas med en vattenlösning av natriumhydroxid , och efter 10-15 minuter surgörs den resulterande lösningen. Primära aminer i det första steget ger sulfamid RNHSO 2 Ar, som löses i alkali på grund av närvaron av en sur väteatom vid kväveatomen. När syra tillsätts fälls den ut [15] .

Sekundära aminer ger också sulfamid, men den innehåller ingen sur väteatom och löser sig inte i alkali. När blandningen surgörs händer ingenting i detta fall [15] .

Tertiära aminer går inte in i denna reaktion, och sulfonylhalogeniden i ett alkaliskt medium hydrolyseras till ett sulfonsyrasalt . Vid surgöring löses den tertiära aminen upp och förvandlas till en saltform [15] .

Halogenering av aminer

Under inverkan av hypokloriter halogeneras primära och sekundära aminer vid kväveatomen [15] .

Oxidation av aminer

Aminer går lätt in i oxidationsreaktioner , och tertiära aminer gör detta enklast. De preparativa reagensen för denna omvandling är en lösning av väteperoxid och organiska persyror . De resulterande tertiära amin-N-oxiderna är kirala och kan separeras i enantiomerer . När de behandlas med reduktionsmedel, såsom trifenylfosfin , omvandlas de igen till aminer [15] .

Primära aminer kan oxideras till nitroföreningar . Trifluorättiksyra används som oxidationsmedel i denna reaktion [15] .

Reaktioner av aromatiska aminer

Aromatiska aminer (aniliner) genomgår typiska aromatiska elektrofila substitutionsreaktioner . Eftersom aminogruppen är en aktiverande substituent , fortgår dessa reaktioner mycket aktivt även under inverkan av milda reagens [15] .

Således kräver halogeneringen av aniliner inte användningen av en Lewis-syra . Reaktionen kan inte stoppas vid mono- och dihalogeneringsstadiet: till exempel under bromering bildas 2,4,6-tribromanilin omedelbart . Om det är nödvändigt att införa endast en halogenatom, acyleras aminogruppen , vilket minskar dess aktiverande effekt [15] .

Under standardförhållanden för nitrering av aromatiska föreningar oxideras aminer snabbt, så deras acylderivat nitrat. Tertiära aminer kan nitreras med salpetersyra i ättiksyra . Aniliner sulfoneras med "matlagningsmetoden": först blandas en amin med svavelsyra, vilket ger ett salt, som sedan värms upp i torr form vid 180-200 ° C. Inom industrin erhålls sulfanilsyra på detta sätt [15] .

Skyddsgrupper för aminer

Vid organisk syntes används en mängd olika skyddsgrupper för aminer. Grupperna Cbz ( bensyloxikarbonyl ) och Boc ( tert -butoxikarbonyl ) har vunnit mest popularitet. Bensyloxikarbonylgruppen införs genom att behandla aminen med bensylklorkarbonylester PhCH2OCOCl i närvaro av en bas. Det kan avlägsnas genom hydrogenolys eller vätebromid i ättiksyra. Boc-gruppen introduceras med di-tert-butyldikarbonat och avlägsnas genom syrabehandling [17] .

Metoder för bestämning

Flera kvalitativa reaktioner används för att identifiera aminer . Primära aminer värms upp med kloroform i närvaro av alkali : på så sätt omvandlas de till isonitriler och avger en obehaglig lukt. Sekundära aminer behandlas med salpetersyrlighet , och den resulterande fällningen smälts samman med fenol och surgörs med en grön färg [18] .

Kvantitativ bestämning utförs med Kjeldahl -metoden , Van Slyke-metoden , bromometri , syra-bastitrering och kromatografi . Primära aminer omvandlas också till azoföreningar eller Schiff-baser och analyseras sedan fotometriskt [18] .

Skadlig effekt

Alifatiska aminer har en negativ effekt på nervsystemet och blodkärlen , bryter mot permeabiliteten av cellmembran , leverfunktion och orsakar utveckling av dystrofi . Aromatiska aminer främjar produktionen av methemoglobin ; några av dem är cancerframkallande [18] .

Anteckningar

  1. ↑ 12 Ullmann , 2015 , sid. 1–2.
  2. ↑ 1 2 3 4 Favre HA, Powell WH Nomenclature of Organic Chemistry. IUPAC-rekommendationer och föredragna namn 2013. - The Royal Society of Chemistry, 2014. - S. 669–676. - doi : 10.1039/9781849733069-FP001 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Chemical Encyclopedia, 1988 , sid. 147.
  4. ↑ 1 2 3 Lawrence, 2004 , sid. 33–34.
  5. ↑ 1 2 Reutov, 2010 , sid. 276–278.
  6. ↑ Lawrence, 2004 , sid. 27–28.
  7. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2015 , sid. 6–7.
  8. ↑ 12 Ullmann , 2015 , sid. åtta.
  9. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2015 , sid. 9.
  10. ↑ 1 2 3 Reutov, 2010 , sid. 287–299.
  11. ↑ Fritz Ullmann. Amines, Aliphatic // Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry. - 2000. - ISBN 3527306730 .
  12. ↑ Ksenia S. Stankevich, Alexander A. Bondarev, Anastasia K. Lavrinenko, Victor D. Filimonov. Mekanism för direkt elektrofil aromatisk aminering: en elektrofil hittas genom kvantkemisk studie   // ChemistrySelect . - 2019. - Vol. 4 , iss. 10 . — S. 2933–2940 . — ISSN 2365-6549 . - doi : 10.1002/slct.201803911 . Arkiverad 25 maj 2019.
  13. ↑ 1 2 3 4 Reutov, 2010 , sid. 282–287.
  14. ↑ Hall, HK (1957). Korrelation av aminernas basstyrkor1. Journal of the American Chemical Society, 79(20), 5441–5444. doi:10.1021/ja01577a030
  15. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Reutov, 2010 , sid. 300–321.
  16. ↑ 1 2 Amiders kemi: [ eng. ]  / Ed. Jacob Zabitsky. - Interscience Publishers, 1970. - S. 74-81. — ISBN 0471980498 .
  17. ↑ Reutov, 2010 , sid. 322–323.
  18. ↑ 1 2 3 Chemical Encyclopedia, 1988 , sid. 149.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Klasser av organiska föreningar
kolväten
Syrehaltig
Kvävehaltig
Svavel
Fosforhaltig
haloorganiska
organosilikon
Organoelement
Andra viktiga klasser