Аммонолиз галогеналканов

2.Аммонолиз спиртов

Синтез Габриэля

Восстановительное аминирование карбонильных соединений

Многие карбонильные соединения превращаются в амины в процессе восстановления в присутствии аммиака. Восстановление осуществляется либо каталитическим гидрированием, либо с помощью цианборгидрида натрия NaBH 3 CN. Механизм этой реакции включает две важные стадии: образование имина и восстановление имина в амин:

Если вместо аммиака использовать первичный амин, то продуктом реакции будет вторичный амин.

Химические свойства аминов

Химические свойства аминов определяются наличием и характером (первичная, вторичная, третичная) аминогруппы.

Реакции аминов с кислотами

Амины, подобно аммиаку, являются основаниями. Они реагируют с разбавленными кислотами с образованием солей:

R-NH 2 + HCl → R-NH 3 + Cl -

Эти соли при взаимодействии с водными растворами оснований выделяют амины.

В водных растворах амины подобно аммиаку существуют в виде гидратов:

СН 3 NH 3 + OH - (СН 3) 2 NH 2 + OH - (СН 3) 3 NH + OH -

Основность аминов определяется легкостью, с которой амин отщепляет протон от воды. Константа равновесия этой реакции называется константой основности К b амина:

Увеличение К b означает повышение основности (см. табл. 26.1).

Таблица 26.1

Константы основности аммиака и некоторых аминов

Как видно из этого примера, замена атомов водорода на алкильные группы увеличивает основность азота. Это согласуется с электронодонорной природой алкильных групп, стабилизирующих сопряженную кислоту амина R 3 NH + и тем самым повышающим его основность. Дополнительная стабилизация сопряженной кислоты амина происходит за счет эффекта сольватации молекулами растворителя. Триэтиламин обладает несколько меньшей основностью, чем диэтиламин. Полагают, что это вызвано уменьшением эффекта сольватации. Поскольку пространство вокруг атома азота занято алкильными группами, стабилизация на нем положительного заряда молекулами растворителя затруднена. В газовой фазе, где нет влияния молекул растворителя, триэтиламин обладает большей основностью, чем диэтиламин.

Образование изонитрилов

Первичные алифатические амины образуют изонитрилы при слабом нагревании с хлороформом в присутствии концентрированного раствора щелочи:

Отдельные представители

Все амины ядовиты и являются кровяными ядами. Особенно опасны их N-нитрозопроизводные.

Метиламин применяется в производстве инсектицидов, фунгицидов, ускорителей вулканизации, поверхностно-активных веществ, красителей, ракетных топлив, растворителей.

Некоторые амины применяются как селективные растворители для извлечения урана из сернокислых растворов. Амины, обладающие запахом рыбы, используются как приманка в борьбе с полевыми грызунами.

В последние годы третичные амины и соли четвертичных аммониевых оснований получили широкое распространение в качестве катализаторов межфазного переноса в органическом синтезе.

Лекция №27. АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ

Ароматические амины. Классификация, изомерия. Номенклатура, Способыполучения: из нитросоединений (реакция Зинина) и арилгалогенидов. Получение вторичных и третичныхаминов.

Химические свойства. Влияние бензольного кольца и заместителей в нем на основность. Реакции алкилирования и ацилирования. Основания Шиффа. Реакции первичных, вторичных и третичных аминов с азотистой кислотой. Реакции электрофильного замещения у ароматическихаминов. Особенности этой реакции. Анилин, п-толуидин, N,N-диметиламин. Способы получения, применение.

Ароматические амины могут быть первичными ArNН 2 (анилин, толуидины),вторичными Ar 2 NH (дифениламин), и третичными Ar 3 N (трифениламин), а также жирноароматическими ArN(СН 3) 2 (N,N-диметиланилин).

Третичные амины

Третичные ароматические амины получают алкилированием или арилированием первичных или вторичных аминов:

C 6 H 5 -NH 2 + 2 CH 3 OH → C 6 H 5 -N(CH 3) 2 + 2 H 2 O

Менее доступные третичные ароматические амины получают нагреванием вторичных аминов с арилиодидами в присутствии медного порошка:

(C 6 H 5) 2 NH + C 6 H 5 I → (C 6 H 5) 3 N + HI

Химические свойства ароматических аминов

Ароматические амины имеют менее выраженный основный характер, чем алифатические. Так, К b метиламина составляет 4,5·10 -4 , тогда как для анилина 3,8∙10 -10 . Уменьшение основности анилина по сравнению с алифатическими аминами объясняется взаимодействием неподеленной пары электронов азота с электронами ароматического ядра - их сопряжением. Сопряжение уменьшает способность неподеленной электронной пары присоединять протон.

Присутствие электроноакцепторных групп в ядре уменьшает основность. Например, константа основности для о-, м- и п -нитроанилинов составляет соответственно 1∙10 -14 , 4∙10 -12 и 1∙10 -12 . Ведение второго ароматического ядра также заметно уменьшает основность (для дифениламина ~7,6∙10 -14). Дифениламин образует сильно гидролизующиеся в растворах соли только с сильными кислотами. Трифениламин основными свойствами практически не обладает.

С другой стороны, введение алкильных групп (электронодонорные группы) увеличивает основность (К b N-метиланилина и N,N-диметиланилина равны соответственно 7,1∙10 -10 и 1,1∙10 -9)

Способы получения алифатических аминов

Аммонолиз галогеналканов

При нагревании галогеналканов со спиртовым раствором аммиака в запаянных трубках образуется смесь продуктов. При взаимодействии аммиака с галогеналканами образуются первичные алкиламины. Моноалкиламины являются более сильными нуклеофилами, чем аммиак; они будут легко реагировать с галогеналканом, давая значительные количества вторичных и третичных аминов и даже четвертичные соли аммония:

Аммонолиз галогенпроизводных относится к реакциям нуклеофильного замещения. В частности, реакция СН 3 СН 2 Сl с NН 3 протекает по механизму S N 2:

Как было отмечено выше, в результате реакции образуется смесь первичных, вторичных и третичных аминов, а также четвертичные аммонийные соли, поэтому первичные амины обычно получают другими способами.

2.Аммонолиз спиртов

Реакция состоит в замещении атомов водорода в аммиаке или амине на алкильные группы. Это важнейший способ синтеза первичных аминов:

Аммонолиз спиртов реализован в значительных масштабах для синтеза низших алифатических аминов (метил- и этиламины). Они применяются в качестве топлива для жидкостных ракетных двигателей и как промежуточные продукты органического синтеза (получение других аминов, диметилгидразина, анионообменных смол и анионоактивных веществ, пестицидов, карбаматов и дитиокарбаматов).

Синтез Габриэля

Синтез Габриэля позволяет получать первичные амины, свободные от более высокоалкилированных продуктов. Алкилирование фталимидакалия по механизму S N 2 дает N-алкилфталимид, который можно легко гидролизовать до соответствующего амина:

Фталимид получают при нагревании фталевого ангидрида с аммиаком:

Фталимид обладает кислотными свойствами из-за делокализации отрицательного заряда имид-аниона на двух ацильных атомах кислорода Он теряет протон, связанный с азотом, при взаимодействии с основанием типа гидроксида калия. В результате этой реакции образуется фталимид-ион - анион, который стабилизируется:

Для получения аминов сегодня открыто огромное количество самых разнообразных методов. Наиболее важные из них будут рассмотрены в отдельных главах:

• Прямое алкилирование аммиака и аминов;
• Непрямое алкилирование;
• Восстановительные методы;
• Получение первичных аминов из карбоновых кислот. Перегруппировки Гофмана, Курциуса и Шмидта.

Приведенные методы получения аминов различаются по областям своего применения, по своей доступности и по количеству побочных продуктов. В этой же главе кратко будут рассмотрены общие закономерности получения аминов и некоторые другие специфические пути их получения.

Общие методы получения аминов

Они происходят при реакциях расщепления: амидов (перегруппировка Гофмана), гидроксамовых кислот и их производных (перегруппировка Лоссена), азидов (перегруппировка Курциуса, Шмидта), оксимов, кетонов (перегруппировка Бекмана). Движущей силой этих перегруппировок является образование электронодефицитного атома азота.

Перегруппировка Лоссена

Эта реакция имеет принципиально тот же промежуточный продукт, что и в перегруппировках Гофмана и Курциуса. Для осущиствления такой перегруппировки используют гидроксамовые кислоты и их производные, которые под действием дегидратирующих агентов ($P_2O_5$, $SOCl_2$, полифосфорная кислота и др.) последовательно образуют ацилнитрен, затем - изоцианат и затем - амин.

Первичные и вторичные амины реагируют с галогенангидридами, ангидридами и сложными эфирами карбоновых кислот с образованием амидов. Все эти реакции надо классифицировать как нуклеофильное замещение у карбонильного sp 2 -гибридного атома углерода, их механизм и применение в синтезе амидов рассмотрено в главе 18.

21.6.3.Взаимодействие первичных и вторичных аминов с карбонильными соединениями. Получение иминов и енаминов,

Альдегиды и кетоны в реакции с первичными и вторичными ами­нами образуют соответственно имины и енамины (см. главу 16).

Эти реакции следует рассматривать как нуклеофильное присоедине­ние по карбонильной группе.

21.6.4.Взаимодействие аминов с сульфонилгалогенидами. Тест Хинсберга

Первичные и вторичные амины реагируют с сульфонилгалогенидами с образованием сульфамидов.

Механизм образования сульфамидов аналогичен получению амидов из ацилгалогенидов и аминов. Получение сульфамидов лежит в основе универсального теста на первичные, вторичные и третичные амины. Этот простой и очень доступный метод распознавания аминов был предложен в 1890 году Хинсбергом и носит название теста Хин­сберга. Смесь исследуемого амина и бензолсульфохлорида С 6 Н 5 SО 2 Сl или п -толуолсульфохлорида встряхивают с избытком холодного водного раствора гидроксида натрия. Через 10-15 ми­нут смесь подкисляют до ярко выраженной кислой реакции. Первич­ные, вторичные и третичные амины по-разному ведут себя в этом двухстадийном процессе. Первичные амины при взаимодействии с бензолсульфохлоридом дают N-замещенные сульфамиды, которые со­держат при атоме азота достаточно "кислый" атом водорода, и растворяются в водной щелочи с образованием гомогенного раствора натриевой соли сульфамида. При подкислении из этого раствора в осадок выпадает нерастворимый в воде N-замещенный сульфамид.

Вторичные амины реагируют с бензолсульфохлоридом в водном раство­ре щелочи с образованием N,N-дизамещенного сульфамида. Он нераст­ворим в водной щелочи, т.к. не содержит кислого атома водорода при азоте. Подкисление реакционной смеси в этом случае не вызы­вает никаких внешних изменений - N,N-дизамещенный сульфамид ос­тается в виде осадка.

Нерастворимый в воде третичный амин не претерпевает изменений при обработке водным раствором щелочи, образующийся первоначально ионнный N-бензолсульфонил-N,N-триалкиламмонийхлорид расщепляет­ся под действием гидроксид-иона до бензолсульфоната натрия и третичного амина:

При подкислении реакционной смеси третичный амин растворяется вследствие образования растворимой в воде соли

Сульфамиды нашли применение в химиотерапии после того, как в 1935 году было обнаружено, что амид сульфаниловой кислоты п -NН 2 С 6 Н 4 SО 2 NН 2 обладает сильным антистрептококковым действием. Это исключительно важное для современной медицины и химиотера­пии открытие было сделано совершенно случайно. История его вкратце такова. Дочь одного из сотрудников крупной фирмы, производящей азокрасители, в результате булавочного укола внесла стрептококковую инфекцию. Она была уже практичес­ки обречена, когда отец наудачу рискнул дать ей дозу пронтозила - одного из красителей, выпускаемых его фирмой. Ранее пронтозил был с успехом испытан на мышах, где он подавлял рост стрепто­кокков. Спустя короткое время девочка полностью оправилась от болезни, что побудило Э.Фурно в Пастеровском институте в Париже заняться решением этой чудодейственной проблемы. Фурно обна­ружил,что в организме человека пронтозил, получивший название красный стрептоцид, расщепляется ферментами до п -аминобензолсульфамида, который и является истинным действующим началом против различных стрептококков, пневмококков и гонококков. Амид сулъфаниловой кислоты получил название лекарственного препарата белый стрептоцид.

Это открытие вызвало лавинообразный поток исследований активности различных пара -аминобензолсульфаниламидов, различающихся лишь природой заместителя Х в п -NН 2 С 6 Н 4 SО 2 NНХ. Из примерно десяти тысяч таких производных, полученных синтетическим путем, в меди­цинскую практику вошло менее тридцати. Среди них хорошо знакомые по своим торговым названиям лекарственные препараты сульфидин, норсульфазол, сульфадимезин, этазол, сульфадиметоксин, фталазол и др. Некоторые из них были получены до Второй мировой войны и спасли жизнь сотен тысяч людей, подвергшихся воспалительным про­цессам, вызванным пневмококками и стрептококками после ранения. Ниже приведены некоторые из современных сульфамидных препаратов.

Сульфамидные препараты получают по следующей типовой схеме:

Все эти препараты подобно "чудесной пуле" (термин введен осново­положником химиотерапии П.Эрлихом) метко поражают бактерии и не наносят вреда живым клеткам.

Хотя механизм действия лекарственных препаратов в большинстве случаев детально неизвестен, сульфаниламид представляет редкое исключение. Сульфаниламид убивает бактерии, включаясь в биосинтез фолиевой кислоты. Синтез фолиевой кислоты чрезвычайно важен для жизнедеятельности бактерий. Животные клетки сами не способны син­тезировать фолиевую кислоту, однако она является необходимым ком­понентом в их "рационе". Вот почему сульфаниламид токсичен для бактерий, но не для человека.

Фолиевую кислоту можно представить состоящей из трех фраг­ментов - производного птеридина, молекулы пара -аминобензойной кислоты и глутаминовой кислоты (весьма распространенной амино­кислоты). Сульфаниламид мешает биосинтезу фолиевой кислоты, кон­курируя с пара -аминобензойной кислотой за включение в молекулу фолиевой кислоты. По своей структуре и размерам сульфаниламид и п -аминобензойная кислота очень близки (рис.21.1), что позволяет молекуле сульфаниламида "ввести в заблуждение" ферменты, отвечающие за связывание всех трех частей молекулы фолиевой кис­лоты. Таким образом, сульфаниламид занимает место пара -аминобензойной кислоты в "ложной" молекуле фолиевой кислоты, которая не способна выполнять жизненные функции истинной фолиевой кисло­ты внутри бактерии. В этом и заключается секрет противобакте-риальной активности сульфаниламида и его структурных анало­гов.

Рис. 21.1. Структурное подобие пара -аминобензойной кислоты и сульфаниламида

Открытие механизма действия сульфаниламида привело к открытию многих других новых антиметаболитов. Одним из них является метотрексат, обладающий ярко выраженной противоопухолевой активно­стью. Нетрудно заметить его близкую структурную аналогию с фолиевой кислотой.

Амины.

Амины - производные аммиака, у которых один, два или все три атома водорода замещены на радикалы.

Классификация аминов : амины классифицируются по двум признакам:

1) по числу радикалов, замещающих атом водорода в аммиаке амины подразделяются на:

-первичные :

-вторичные :

-третичные :

2) по характеру радикалов, связанных с атомом азота, амины подразделяются на :

- алифатические . Алифатическими аминами называются такие амины, радикалами в которых являются остатки алканов, алкенов, алкадиенов, но не аренов:

пропиламин 2-пропениламин 2-пропиниламин

К алифатическим относятся также амины, имеющие в своей структуре ароматические фрагменты, если они отделены от атома азота по крайней мере одной группой - СН 2 -, например, бензиламин:

- ароматические . Ароматическими считаются только такие амины, у которых атом азота непосредственно связан с ароматическим ядром, например:

- жирноароматические : в этих аминах, если они третичные, атом азота соединён с одним алифатическим и с двумя ароматическими радикалами или, наоборот, с одним ароматическим и двумя алифатическими радикалами, например:

Если жирноароматический амин вторичный, то у него один радикал алифатический, а другой ароматический, например:

Изомерия и номенклатура алифатических аминов

Чтобы назвать алифатический амин по номенклатуре ИЮПАК нужно выбрать самую длинную цепь из атомов углерода, контактирующую с аминогруппой. Пронумеровать цепь с той стороны, к которой ближе находится аминогруппа. Затем указать номер атома, связанного с атомом азота, и через дефис написать «амино». После этого указать номера атомов главной цепи и названия углеводордных радикалов, связанных с ними. В конце слитно с названием последнего из радикалов дать название алкана, соответствующего главной цепи.

По рациональной номенклатуре называют сначала по мере усложнения радикалы, связанные с азотом, а затем приписывают слитно слово «амин». Ниже в таблице представлены примеры названий для аминов с формулой С 5 Н 13 N

	ИЮПАК	Рациональная
	1-аминопентан	амиламин
	2-аминопентан	1-метилбутиламин
	3-аминопентан	1-этилпропиламин
	1-амино-2-метилбутан	2-метилбутиламин
	2-амино-2метилбутан	Трет -амиламин
	2-амино-3-метилбутан	1,2-диметилпропиламин
	1-амино-3-метилбутан	Изоамиламин
	1-амино-2,2-диметилпропан	Неопентиламин
	1-(N-метил)аминобутан	Метилбутиламин
	2-(N-метил)аминобутан	Метил-втор -бутиламин
	1-(N-метил)амино-2-метилпропан	Метилизобутиламин
	2-(N-метил)амино-2-метилпропан	Метил-трет.-бутиламин
	1-(N-метил- N -этил)аминоэтан	Метилдиэтиламин
	1-(N,N-диметил)аминопропан	Диметилпропиламин
	2-(N,N-диметил)аминопропан	Диметилизопропиламин

Способы получения аминов.

Получение аминов из других азотсодержащих соединений.

Из нитросоединений амины могут быть получены путём их гидрирования водородом на катализаторе – никеле Ренея. Этот катализатор получают выщелачиванием алюминия из его сплава с никелем по реакции:

1-нитропропан 1-аминопропан

Аналогичным образом первичные амины могут быть получены из нитрозосоединений:

2-нитрозобутан 2-аминобутан

Амины могут быть получены также из оксимов . Сами оксимы легко получаются из альдегидов или кетонов путём их реакции с гидроксиламином:

пропаналь гидроксиламин оксим пропаналя

При гидрировании оксимов происходит разрыв связи N – O и получаются амин (всегда первичный) и вода:

оксим пропаналя пропиламин

Первичные амины могут быть получены также из гидразонов , которые в свою очередь получаются при действии гидразина на альдегиды или кетоны

бутанон гидразин гидразон бутанона

При гидрированиигидразонов происходит разрыв связи N – N и получаются амин (всегда первичный) и аммиак:

2-аминобутан

Из амидов карбоновых кислот такжеможно получитьамины, причём не только первичные, но из алкиламидов – вторичные и из диалкиламидов – третичные амины.

Сначала из карбоновых кислот действием аммиака получают аммонийые соли ,например:

пропионовая кислота пропионат аммония

При нагревании аммонийной соли выше 100 о С выделяется вода в виде пара и образуется амид:

пропионат аммония амид пропионовой кислоты

Гидрирование амидов на катализаторах платиновой группы приводит к получению первичных аминов и воды:

пропиоамид пропиламин

Если вместо аммиака в первую из приведённых выше реакций взять первичный амин , то после гидрирования амида получится вторичный амин :

уксусная кислота 1-аминопропан ацетат пропиламмония

пропиламид уксусной кислоты

Этилпропиламин – вторичный амин

Если же вместо аммиака в первую из трёх этих реакций взять вторичный амин , то после гидрирования амида получится третичный амин :

3-метилбутановая кислота метилизобутиламин

1. Синтез из спиртов. Пропусканием паров спирта и аммиака при 400 0 С над катализатором получают смесь первичных, вторичных и третичных спиртов:

2. Реакция Гофмана. Действие аммиака на галогенпроизводные позволяет получить смесь солей различных аминов:

3. Реакция Зинина. Нитросоединения восстанавливаются водородом в присутствии катализатора:

4. Восстановление нитрилов:

5. Синтез из амидов кислот:

6. Взаимодействие хлорбензола с аммиаком:

Кислотно-основные свойства аминов. Амины обладают ярко выраженными основными свойствами. Это типичные основания по теории Бренстеда, согласно которой к основаниям относятся структуры, склонные присоединять протон. В ряду алифатических аминов более ярко выражены основные свойства у третичного амина, что объясняется донорным индукционным эффектом алкильных групп (R), что увеличивает электронную плотность на азоте и способность азота присоединять протон выражена ярче.

В ряду ароматических аминов более ярко выраженными основными свойствами обладает анилин и соблюдается следующая последовательность:

Химические свойства. В химическом отношении амины очень сходны с аммиаком и вступают в различные реакциии, как нуклеофильные реагенты. Типичными реакциями аминов являются реакции по аминогруппе.

1. Присоединение хлороводорода:

2. Присоединение воды:

3. Алкилирование:

4. Реакция ацелирования:

5. Реакция диазотирования:

Охлажденные растворы диазосолей используются для получения азокрасителей. В качестве азосоставляющей в реакциях азосочетания используются фенолы или ароматические амины.

Реакция азосочетания:

Реакцию азосочетания можно рассматривать как реакцию электрофильного замещения в ароматическом бензольном кольце. Электрофильной частицей выступает диазокатион и замещение идет преимущественно в пара-положение.

Полученный продукт является красителем. Красителями называют органические соединения, обладающие окраской и способные окрашивать различные ткани. Красители должны обязательно содержать в своем составе хромоформные группы:

и иметь высокую степень сопряжения в молекуле.

Для того, чтобы краситель связывался с тканью, в его составе должны быть ауксохромные группы: OH, NH 2 , СН 3 .

Существуют различные способы крашения тканей. При ледяном крашении ткань пропитывают азосоставляющей (фенол, амин), а рисунок наносят ледяным раствором соли диазония, то есть реакция азосочетания протекает на самой ткани.

6. Отношение аминов к азотистой кислоте (качественные реакции на алифатические амины). Первичные амины реагируют с выделением азота и образованием спирта. Вторичные амины реагируют с азотистой кислотой с образованием нитрозоаминов. Третичные амины в реакцию не вступают.