Основные свойства аминов. Предельные первичные амины. Химические свойства предельных аминов

Подобно аммиаку, амины проявляют свойства оснований. Водные растворы низших аминов окрашивают красный лакмус в синий цвет, имеют щелочную среду.

Причина основных свойств – свободная электронная пара атома азота, за счет которой присоединяется протон водорода. Основные свойства аминов обусловлены способностью присоединять протон водорода (Н +), и чем легче он присоединяется, тем ярче выражены основные свойства. Следовательно, амины – органические основания. По мере роста углеродного скелета растворимость в воде уменьшается, поэтому высшие амины не дают щелочной реакции, но сохраняют свойства оснований и с кислотами образуют соли. На характер основных свойств оказывает влияние природа радикала, с которым связана аминогруппа. Электронодонорные группы усиливают основные свойства, электроноакцепторные – уменьшают.

Ароматические амины проявляют более слабые основные свойства, чем амины предельного ряда. Объясняется это влиянием бензольного ядра на аминогруппу. Свободная электронная пара атома азота вступает в сопряжение с п-электронами бензольного ядра, что приводит к уменьшению электронной плотности на атоме азота, тем самым к ослаблению способности присоединять Н + .

Амины можно расположить в следующий ряд по убыванию основных свойств:

(СН 3) 3 N > (СН 3) 2 NН> СН 3 NH 2 > NH 3 > C 6 H 5 NH 2 > (С 6 Н 5) 2 NН> (C 6 H 5) 3 N

Образование солей. Подобно аммиаку, амины реагируют с кислотами, образуя соли:

Соли аминов, в отличие от аминов, хорошо растворимы в воде, но не растворяются в органических растворителях. При действии на соли аминов щелочей происходит выделение аминов:

Предельные амины могут осаждать нерастворимые гидроксиды металлов из растворов солей, например:

Алкилирование аминов. Взаимодействие с галогенопроизводными. Из первичных аминов образуются вторичные амины, а из вторичных – третичные:

Ацилирование – введение ацильной группы, при этом получаются амиды кислот:

Горение. Амины сгорают в кислороде, образуя азот, СО 2 и Н 2 О , например.

Амины - это органические соединения, в которых атом водорода (может и не один) замещен на углеводородный радикал. Все амины делят на:

• первичные амины ;
• вторичные амины ;
• третичные амины .

Есть еще аналоги солей аммония - четвертичные соли типа [R 4 N ] + Cl - .

В зависимости от типа радикала амины могут быть:

• алифатические амины;
• ароматические (смешанные) амины.

Алифатические предельные амины.

Общая формула C n H 2 n +3 N .

Строение аминов.

Атом азота находится в sp 3 -гибридизации. На 4-ой негибридной орбитали находится неподеленная пара электронов, которая обуславливает основные свойства аминов:

Элекронодонорные заместители повышают электронную плотность на атоме азота и усиливают основные свойства аминов, по этой причин вторичные амины являются более сильными основаниями, чем первичные, т.к. 2 радикала у атома азота создают большую электронную плотность, чем 1.

В третичных атомах играет важную роль пространственный фактор: т.к. 3 радикала заслоняют неподеленную пару азота, к которой сложно «подступиться» другим реагентам, основность таких аминов меньше, чем первичных или вторичных.

Изомерия аминов.

Для аминов свойственна изомерия углеродного скелета, изомерия положения аминогруппы:

Как называть амины?

В названии обычно перечисляют углеводородные радикалы (в алфавитном порядке) и добавляют окончание -амин:

Физические свойства аминов.

Первые 3 амина - газы, средние члены алифатического ряда - жидкости, а высшие - твердые вещества. Температура кипения у аминов выше, чем у соответствующих углеводородов, т.к. в жидкой фазе в молекуле образуются водородные связи.

Амины хорошо растворимы в воде, по мере роста углеводородного радикала растворимость падает.

Получение аминов.

1. Алкилирование аммиака (основной способ), который происходит при нагревании алкилгалогенида с аммиаком:

Если алкилгалогенид в избытке, то первичный амин может вступать в реакцию алкилирования, превращаясь во вторичный или третичный амин:

2. Восстановление нитросоединений:

Используют сульфид аммония (реакция Зинина ), цинк или железо в кислой среде, алюминий в щелочной среде или водород в газовой фазе.

3. Восстановление нитрилов. Используют LiAlH 4 :

4. Ферментатичное декарбоксилирование аминокислот:

Химические свойства аминов.

Все амины - сильные основания, причем алифатические более сильные, чем аммиак.

Водные растворы имеют щелочной характер.

Амины - органические производные аммиака, в молекуле которого один, два или все три атома водорода замещены углеродным остатком.

Обычно выделяют три типа аминов:

Амины, в которых аминогруппа связана непо­средственно с ароматическим кольцом, называют­ся ароматическими аминами.

Простейшим представителем этих соединений является аминобензол, или анилин:

Основной отличительной чертой электронного строения аминов является наличие у атома азота, входящего в функциональную группу, неподеленной электронной пары. Это приводит к тому, что амины проявляют свойства оснований.

Существуют ионы, которые являются продук­том формального замещения на углеводородный радикал всех атомов водорода в ионе аммония:

Эти ионы входят в состав солей, похожих на соли аммония. Они называются четвертичными аммонийными солями.

Изомерия и номенклатура аминов

1. Для аминов характерна структурная изомерия:

а) изомерия углеродного скелета:

б) изомерия положения функциональной группы:

2. Первичные, вторичные и третичные амины изомерны друг другу (межклассовая изомерия):

Как видно из приведенных примеров, для то­го чтобы назвать амин, перечисляют заместители, связанные с атомом азота (по порядку старшин­ства), и добавляют суффикс —амин.

Физические свойства аминов

Простейшие амины (метиламин, диметиламин, триметиламин) - газообразные вещества. Остальные низшие амины - жидкости, которые хорошо рас­творяются в воде. Имеют характерный запах, напоми­нающий запах аммиака.

Первичные и вторичные амины способны образовывать водородные связи. Это приводит к заметному повышению их температур кипения по сравнению с соединениями, имеющими ту же молекулярную массу, но не способными образовывать водородные связи.

Анилин - маслянистая жидкость, ограниченно растворимая в воде, кипящая при температуре 184 °С.

Химические свойства аминов

Химические свойства аминов определяются в основном наличием у атома азота неподеленной электронной пары.

Амины как основания. Атом азота аминогруппы, подобно атому азота в молекуле аммиака, за счет не­поделенной пары электронов может образовывать ковалентную связь по донорно-акцепторному меха­низму, выступая в роли донора. В связи с этим ами­ны, как и аммиак, способны присоединять катион водорода, т. е. выступать в роли основания:

1. Реакция амионов с водой приводит к образо­ванию гидроксид-ионов:

2. Реакция с кислотами . Аммиак, реагируя с кислотами, образует соли аммония. Амины так­же способны вступать в реакцию с кислотами:

Основные свойства алифатических аминов вы­ражены сильнее, чем у аммиака. Это связано с на­личием одного и более донорных алкильных за­местителей, положительный индуктивный эффект которых повышает электронную плотность на атоме азота. Повышение электронной плотности превра­щает азот в более сильного донора пары электронов, что повышает его основные свойства:

Горение амионов . Амины горят на воздухе с об­разованием углекислого газа, воды и азота:

Применение аминов

Амины широко применяются для получения лекарств, полимерных материалов. Анилин - важнейшее соединение данного класса, которое используют для производства анилиновых краси­телей, лекарств (сульфаниламидных препаратов), полимерных материалов (анилинформальдегидных смол).

Амины - это производные аммиака (NH 3), в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены уг­леводородными радикалами.

По числу углеводородных радикалов, замещающих атомы водорода в молекуле NH 3 , все амины можно разделить на три типа:

Группа - NH 2 называется аминогруппой. Существуют также амины, которые содержат две, три и более аминогрупп

Номенклатура

К названию органических остатков, связанных с азотом, добавляют слово «амин», при этом группы упоминают в алфавитном порядке: CH3NC3H - метилпропиламин, CH3N(C6H5)2 - метилдифениламин. Для высших аминов название составляется, взяв за основу углеводород, прибавлением приставки «амино», «диамино», «триамино», указывая числовой индекс атома углерода. Для некоторых аминов используются тривиальные названия: C6H5NH2 - анилин (систематическое название - фениламин).

Для аминов возможна изомерия цепи, изомерия положения функциональной группы, изомерия между типами аминов

Физические свойства

Низшие предельные первичные амины - газообразные вещества, имеют запах аммиака, хорошо растворяются в воде. Амины с большей относительной молекулярной массой - жидкости или твердые вещества, растворимость их в воде с увеличением молекулярной массы уменьшается.

Химические свойства

По химическим свойствам амины похожи на аммиак.

1. Взаимодействие с водой - образование гидроксидов замещенного аммония. Раствор аммиака в воде обладает слабыми щелочными (основными) свойствами. Причина основных свойств аммиака - наличие у атома азота неподеленной электронной пары, которая участвует в образовании донорно-акцепторной связи с ионом водорода. По этой же причине амины также являются слабыми основаниями. Амины - органические основания.

2. Взаимодействие с кислотами - образование солей (реакции нейтрализации). Как основание аммиак с кислотами образует соли аммония. Аналогично при взаимодействии аминов с кислотами образуются соли замещенного аммония. Щелочи, как более сильные основания, вытесняют аммиак и амины из их солей.

3. Горение аминов. Амины являются горючими веществами. Продуктами горения аминов, как и других азотсодержащих органических соединений, являются углекислый газ, вода и свободный азот.

Алкилирование - введение алкильного заместителя в молекулу органического соединения. Типичными алкилирующими агентами являются алкилгалогениды, алкены, эпоксисоединения, спирты, реже альдегиды, кетоны, эфиры, сульфиды, диазоалканы. Катализаторами алкилирования являются минеральные кислоты, кислоты Льюиса а также цеолиты.

Ацилирование. При нагревании с карбоновыми кислотами, их ангидридами, хлорангидридами или сложными эфирами первичные и вторичные амины ацилируются с образованием N-замещенных амидов, соединений с фрагментом -С(О)N<:

Реакция с ангидридами протекает в мягких условиях. Ещё легче реагируют хлорангидриды, реакция проводится в присутствии основания, чтобы связать образующийся HCl.

Первичные и вторичные амины взаимодействуют с азотистой кислотой различным образом. При помощи азотистой кислоты первичные, вторичные и третичные амины отличают друг от друга. Из первичных аминов образуются первичные спирты:

C2H5NH2 + HNO2 → C2H5OH + N2 +H2O

При этом выделяется газ (азот). Это признак того, что в колбе первичный амин.

Вторичные амины образуют с азотистой кислотой желтые, трудно растворимые нитрозамины - соединения, содержащие фрагмент >N-N=O:

(C2H5)2NH + HNO2 → (C2H5)2N-N=O + H2O

Вторичные амины сложно не узнать, по лаборатории распространяется характерный запах нитрозодиметиламина.

Третичные амины при обычной температуре в азотистой кислоте просто растворяются. При нагревании возможна реакция с отщеплением алкильных радикалов.

Способы получения

1.Взаимодействие спиртов с аммиаком при нагревании в присутствии Аl 2 0 3 в качестве катализатора.

2.Взаимодействие алкилгалогенидов (галогеналканов) с аммиаком. Образовавшийся первичный амин может вступать в реакцию с избытком алкилгалогенида и аммиака, в результате чего образуется вторичный амин. Аналогично могут быть получены третичные амины

Аминокислоты. Классификация, изомерия, номенклатура, получение. Физические и химические свойства. Амфотерные свойства, биполярная структура, изоэлектрическая точка. Полипептиды. Отдельные представители: глицин, аланин, цистеин, цистин, а-аминокапроновая кислота, лизин, глутаминовая кислота.

Аминокислоты - это производные углеводородов, содержащие аминогруппы (-NH 2) и карбоксильные группы –СООН.

Общая формула: (NH 2) f R(COOH) n где m и n чаще всего равны 1 или 2. Таким образом, аминокислоты являются соединениями со смешанными функциями.

Классификация

Изомерия

Изомерия аминокислот, как и гидроксикислот, зависит от изомерии углеродной цепи и от положения аминогруппы по отношению к карбоксилу (a -, β - и γ- аминокислоты и т.д.). Кроме того, все природные аминокислоты, кроме аминоуксусной, содержат асимметрические атомы углерода, поэтому они имеют оптические изомеры (антиподы). Различают D- и L-ряды аминокислот. Следует отметить, что все аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду.

Номенклатура

Аминокислоты обычно имеют тривиальные названия (например, аминоуксусная кислота называется иначе гликоколом или иицином, а аминопропионовая кислота - аланином и т.д.). Название аминокислоты по систематической номенклатуре складывается из названия соответствующей карбоновой кислоты, производным которой она является, с добавлением в качестве приставки слова амино-. Положение аминогруппы в цепи указывается цифрами.

Способы получения

1.Взаимодействие α-галогенкарбоновых кислот с избытком аммиака. В ходе этих реакций происходит замещение атома галогена в галогенкарбоновых кислотах (об их получении см. § 10.4) на аминогруппу. Вьщеляющийся при этом хлороводород связывается избытком аммиака в хлорид аммония.

2.Гидролиз белков. При гидролизе белков обычно образуются сложные смеси аминокислот, однако с помощью специальных методов из этих смесей можно выделять отдельные чистые аминокислоты.

Физические свойства

Аминокислоты - бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворяются в воде, температура плавления 230-300°С. Многие α-аминокислоты имеют сладкий вкус.

Химические свойства

1. Взаимодействие с основаниями и с кислотами:

а) как кислота (участвует карбоксильная группа).

б) как основание (участвует аминогруппа).

2. Взаимодействие внутри молекулы - образование внутренних солей:

а) моноаминомонокарбоновые кислоты (нейтральные кислоты). Водные растворы моноаминомонокарбоновых кислот нейтральны (рН = 7);

б) моноаминодикарбоновые кислоты (кислые аминокислоты). Водные растворы моноаминодикарбоновых кислот имеют рН < 7 (кислая среда), так как в результате образования внутренних солей этих кислот в растворе появляется избыток ионов водорода Н + ;

в) диаминомонокарбоновые кислоты (основные аминокислоты). Водные растворы диаминомонокарбоновых кислот имеют рН > 7 (щелочная среда), так как в результате образования внутренних солей этих кислот в растворе появляется избыток гидроксид-ионов ОН - .

3. Взаимодействие аминокислот друг с другом - образование пептидов.

4. Взаимодействуют со спиртами с образованием сложных эфиров.

Изоэлектрическая точка аминокислот, не содержащих дополнительных NH2- или СООН-групп, представляет собой среднее арифметическое между двумя значениями рК": соответственно для аланина.

Изоэлектрическая точка ряда других аминокислот, содержащих дополнительные кислотные или основные группы (аспарагиновая и глутаминовая кислоты, лизин, аргинин, тирозин и др.), зависит, кроме того, от кислотности или основности радикалов этих аминокислот. Для лизина, например, рI должна вычисляться из полусуммы значений рК" для α- и ε-NН2-групп. Таким образом, в интервале рН от 4,0 до 9,0 почти все аминокислоты существуют преимущественно в форме цвиттерионов с протонированной аминогруппой и диссоциированной карбоксильной группой.

Полипептиды содержат более десяти аминокислотных остатков.

Глицин (аминоуксусная кислота, аминоэтановая кислота) - простейшая алифатическая аминокислота, единственная аминокислота, не имеющая оптических изомеров. Эмпирическая формула C2H5NO2

Аланин (аминопропановая кислота) - алифатическая аминокислота. α-аланин входит в состав многих белков, β-аланин - в состав ряда биологически активных соединений. Химическая формула NH2 -CH -CH3 -COOH. Аланин легко превращается в печени в глюкозу и наоборот. Этот процесс носит название глюкозо-аланинового цикла и является одним из основных путей глюконеогенеза в печени.

Цистеин (α-амино-β-тиопропионовая кислота; 2-амино-3-сульфанилпропановая кислота) - алифатическая серосодержащая аминокислота. Оптически активна, существует в виде L- и D- изомеров. L-Цистеин входит в состав белков и пептидов, играет важную роль в процессах формирования тканей кожи. Имеет значение для дезинтоксикационных процессов. Эмпирическая формула C3H7NO2S.

Цисти́н (хим.) (3,3"-дитио-бис-2-аминопропионовая к-та, дицистеин) - алифатическая серосодержащая аминокислота, бесцветные кристаллы, растворимые в воде.

Цистин - некодируемая аминокислота, представляющая собой продукт окислительной димеризации цистеина, в ходе которой две тиольные группы цистеина образуют дисульфидную связь цистина. Цистин содержит две аминогруппы и две карбоксильных группы и относится к двухосновным диаминокислотам. Эмпирическая формула C6H12N2O4S2

В организме находятся в основном в составе белков.

Аминокапроновая кислота (6-аминогексановая кислота или ε-аминокапроновая кислота) - лекарственное гемостатическое средство, тормозит превращение профибринолизина в фибринолизин. Брутто-

формула C6H13NO2.

Лизин (2,6-диаминогексановая кислота) - алифатическая аминокислота с выраженными свойствами основания; незаменимая аминокислота. Химическая формула: C6H14N2O2

Лизин входит в состав белков. Лизин - это незаменимая аминокислота, входящая в состав практически любых белков, необходима для роста, восстановления тканей, производства антител, гормонов, ферментов, альбуминов.

Глутаминовая кислота (2-аминопентандиовая кислота) - алифатическая аминокислота. В живых организмах глутаминовая кислота в виде аниона глутамата присутствуют в составе белков, ряда низкомолекулярных веществ и в свободном виде. Глутаминовая кислота играет важную роль в азотистом обмене. Химическая формула C5H9N1O4

Глутаминовая кислота также является нейромедиаторной аминокислотой, одним из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот». Связывание глутамата со специфическими рецепторами нейронов приводит к возбуждению последних.

Простые и сложные белки. Пептидная связь. Понятие о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуре белковой молекулы. Типы связей, определяющих пространственное строение молекулы белка (водородные, дисульфидные, ионные, гидрофобные взаимодействия). Физические и химические свойства белков (реакции осаждения, денатурации, цветные реакции). Изоэлектрическая точка. Значение белков.

Белки - это природные высокомолекулярные соединения (биополимеры), структурную основу которых составляют полипептидные цепи, построенные из остатков α-аминокислот.

Простые белки (протеины) - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот.

Сложные белки (протеиды) - двухкомпонентные белки, в которых помимо пептидных цепей (простого белка) содержится компонент неаминокислотной природы - простетическая группа.

Пептидная связь - вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-СООН) другой аминокислоты.

Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы - сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка.

Вторичная структура - локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями.

Третичная структура - пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат составляющих белок атомов). Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

ковалентные связи (между двумя остатками цистеина - дисульфидные мостики);

ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

водородные связи;

гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) - взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

Физические свойства

Свойства белков так же разнообразны, как и функции, которые они выполняют. Одни белки растворяются в воде,-образуя, как правило, коллоидные растворы (например, белок яйца); другие растворяются в разбавленных растворах солей; третьи нерастворимы (например, белки покровных тканей).

Химические свойства

В радикалах аминокислотных остатков белки содержат различные функциональные группы, которые способны вступать во многие реакции. Белки вступают в реакции окисления-восстановления, этерификации, алкилирования, нитрования, могут образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями (белки амфотерны).

Например, альбумин - яичный белок - при температуре 60-70° осаждается из раствора (свертывается), теряя способность растворяться в воде.