1.1. Получение алифатических аминов

1.1.1 Аммонолиз спиртов в присутствии катализаторов дегидратации (AI₂O_3, SiO_2, ThO₂ и т. п.) при 300–500 ^оС, в результате образуется смесь первичных, вторичных и третичных аминов:

1.1.2 При взаимодействии аммиака с галогеналканами или другими алкилирующими реагентами получают соли аммония и амины. На первой ступени реакции образуются соли алкиламмония, которые при взаимодействии с аммиаком в равновесной реакции образуют алкиламин:

1.1.3 Аммонолиз эпоксидов:

1.2 Получение циклических аминов:

2. Реакции восстановления

2.1 Восстановление нитросоединений. В качестве восстановителя используются Sb, HCl / Pt. Алюмогидрид лития восстанавливает алифатические нитросоединения (Alk–NО₂) до аминов, а ароматические нитросоединения (Ar–NО₂) – до азосоединений (Ar–N=N–Ar).

2.1.1 Реакция Бешона:

2.1.2 Синтез Зайцева

2.1.3 Реакция Зинина (1842 г):

2.1.4 Восстановление нитрилов. В качестве восстановителя используют H₂ в присутствии катализатора, восстановление идет через промежуточный имин RCHNH:

2.1.5 Восстановление амидов:

2.2 Восстановление оксимов:

2.3 Восстановительное аминирование карбоксильных соединений. Для получения высших алкиламинов используют соответствующие жирные кислоты:

2.4 Реакция Лёйкарта–Валлаха (1949 г). Вторичные и третичные амины можно получить восстановительным аминированием альдегидов и кетонов под действием первичных или вторичных аминов и муравьиной кислоты:

2.5 Метилирование по Эшвайлеру–Кларку (1905 г). Реакция является разновидностью восстановительного аминирования – метилирование вторичных и первичных аминов действием формальдегида и муравьиной кислоты:

3. Реакция Лейкарта. В результате нагревания альдегидов и кетонов с муравьинокислым аммонием образуется первичный амин:

4. Реакция взаимодействия параформа с хлористым аммонием. При взаимодействии параформа, деполимеризующегося в реакции в формальдегид, с хлористым аммонием, образующиеся метилольные производные аммиака восстанавливаются формальдегидом в амины:

5. Реакции замещения. Для получения анилина аммиак арилируют, нагревая его с хлорбензолом в присутствии оксида меди (I):

6. Специальные методы

6.1 Расщепление амидов карбоновых кислот галогенами (перегруппировка Гофмана, 1850 г.). В результате взаимодействия амидов алифатических и ароматических карбоновых кислот с щелочным раствором галогена получают первичные амины, при этом углеродная цепь укорачивается:

Механизм реакции Гофмана включает в себя две стадии. На первой стадии происходит катализируемое щелочью бромирование амида по атому азота:

Под действием щелочи бромамид образует неустойчивый ацилнитрен, который перегруппировывается в изоцианат, гидролизующийся в первичный амин:

6.2 Перегруппировка Курциуса. Хлорангидриды кислот, взаимодействуя с азидом натрия NaN₃, дают ацилазиды (азиды кислот), которые при нагревании превращаются в изоцианаты:

Превращение ацилазидов в изоцианаты, представляет собой согласованный процесс (перегруппировка Курциуса):

Образовавшиеся изоцианаты реагируют с водой и образуются амины:

7. Гидрирование азаметинов (оснований Шиффа):

8. Декарбоксилирование аминокислот:

9. Перегруппировка Бекмана. При действии кислых агентов (РСI₅, H₂SO₄, РОСI₃ и др.) на оксимы кетонов наблюдается т. н. перегруппировка Бекмана – превращение оксимов в амиды, которая может быть использована в ряде случаев для получения аминов:

Механизм перегруппировки Бекмана:

Фактически одновременно с отщеплением воды идет миграция радикала R (вместе с электронной парой связи), расположенного со стороны, противоположной уходящей молекуле воды.

Образующийся карбкатион стабилизируется присоединением молекулы воды, давая амид, который после гидролиза превращается в первичный амин.

Физические свойства аминов. Низшие алифатические амины – газообразные, легко воспламеняющиеся вещества, средние – жидкие, высшие – твердые соединения. Запах низших аминов сходен с запахом аммиака. Высокомолекулярные амины обладают характерным запахом рыбы.

Первичные и вторичные амины образуют межмолекулярные водородные связи и имеют температуры кипения выше, чем соответствующие им неполярные соединения. Однако водородные связи в аминах не столь прочны, как в спиртах и карбоновых кислотах, поэтому амины ассоциированы меньше и кипят при более низких температурах, чем спирты с близкой молекулярной массой. Третичные амины не имеют водородных атомов и не образуют водородные связи, поэтому их температуры кипения близки к таковым неполярных соединений (таблица 5).

Низшие алифатические амины легко растворимы в воде, что также обусловлено образованием водородных связей с молекулами воды. У высших членов гомологического ряда растворимость в воде уменьшается по мере увеличения алкильного радикала. Амины растворяются и в менее полярных растворителях – эфирах, спиртах, бензоле.

Таблица 5 – Физические свойства некоторых аминов

Формула	Название соединения	Температура, оС		Кв
		плавления	кипения
NH3	аммиак	–78	–33,4	1,8×10-5
CH3NH2	метиламин	–92	–7,5	4,5×10-4
(CH3)2NH	диметиламин	–96	7,5	5,4×10-4
(CH3)3N	триметиламин	–117	3	0,6×10-4
CH3CH2NH2	этиламин	–80	17	5,4×10-4
(CH3CH2)2NH	диэтиламин	–39	55	10,0×10-4
(CH3CH2)3N	триэтиламин	–115	89	5,6×10-4
CH3CH2CH2NH2	пропиламин	–83	49	4,1×10-4
CH3CH2CH2CH2NH2	бутиламин	–50	78	4,8×10-4
	циклогексиламин	–17	134	5,1×10-4
	анилин	–6	184	4,2×10-10
	N,N-диметиланилин	3	194	1,17×10-11
	дифениламин	53	302	6,0×10-14
	о-толуидин	–28	200	2,6×10-10
	м-толуидин	–30	203	5,0×10-10
	n-толуидин	44	200	1,2×10-9
	n-нитроанилин	148	332	1,0×10-13
	пиперидин	–13	106	1,6×10-3
	пиридин	–42	115	2,0×10-9
	морфолин	–6	129	2,5×10-6

Строение аминов. Алифатические амины, являясь производными аммиака, также имеют пирамидальное строение с атомом азота в вершине пирамиды. Углы между связями C–N–C в среднем равны 106–108°, т. е. атом азота в алкиламинах в стереохимическом отношении подобен sр³ гибридизованному атому углерода. НЭП алкиламинов занимает четвертую пространственно направленную орбиталь sp³ типа:

Если в третичных аминах атом азота связан с различными заместителями (R₁R₂R₃N), то он является асимметрическим (хиральным). В этом случае возможно существование двух энантиомеров, причем роль четвертого заместителя выполняет НЭП:

Исходная конфигурация

Плоскостное переходное состояние

Обращенная конфигурация

Однако энантиомеры такого типа не выделены в чистом виде, так как переход одной конфигурации в другую (инверсия) протекает очень быстро даже при комнатной температуре. Таким образом, алифатические амины конфигурационно неустойчивы и оптически неактивны.

В отличие от аминов четырехзамещенные соли аммония в стереохимическом отношении являются полными аналогами хиральных углеродных соединений, т. е. могут существовать в виде конфигурационно устойчивых оптически активных энантиомеров с хиральным атомом азота:

Если в алифатических аминах взаимное влияние аминогруппы и углеводородного радикала передается посредством индуктивного эффекта, то в ароматических аминах существенную роль играют эффекты сопряжения. Строение ароматических аминов, например, анилина, представляют посредством резонансных структур:

Сопряжение оказывает заметное влияние на прочность связи C–N ароматических аминов. Она, как и следовало ожидать, у них (у трех из четырех предельных структур связь C–N является двойной) выше по сравнению со связью C–N алифатических аминов. Влияние сопряжения в данном случае аналогично тому, которое наблюдалось в С–О связях спиртов и фенолов (табл. 6).

Связи C–N и N–H менее прочные, чем связи С–О и О–Н, что указывает на более полярный характер или больший процент ионной составляющей по Полингу для последних.

Таблица 6 – Энергия химических связей аминов, спиртов, фенолов

Соединение	Энергия связи кДж/моль		Соединение	Энергия связи кДж/моль
	C–N	N–H		C–O	O–H
CH3NH2	330,5	364,0	CH3OH	382,8	426,7
CH3CH2NH2	326,3	401,7	CH3CH2OH	380,7	424,7
С6H5NH2	412,1	330,5	C6H5OH	431,1	351,5
(CH3)2NH	305,4	360,0	(CH3)3N	288,7	–

Кислотно-основные свойства

Амины как кислоты. Связь N–Н расщепляется гетеролитически с трудом даже в тех случаях, когда аминогруппа связана с ароматическим кольцом или другой системой, способной к делокализации электронной плотности. Кислый характер алкиламинов выражен очень слабо и сравним по величине с кислотностью аммиака, для которого константа ионизации нижеприведенной реакции составляет 10^–33:

Поэтому первичные и вторичные амины способны к ионизации связи N–Н только в присутствии активных металлов (натрия, лития и др.) и сильных оснований – амидов щелочных металлов, металлорганических соединений. В результате образуются соли – алкил- и диалкиламиды металлов:

Алкиламиды щелочных металлов являются сильнейшими из всех известных гетероатомных оснований, их применяют в органическом синтезе для отрыва протонов и генерирования анионов.

У ариламинов константы кислотности несколько выше, так как электронная плотность от атома азота смещена в сторону кольца, что приводит к увеличению полярности связи N–H.

Основность аминов. Подобно аммиаку, амины, благодаря НЭП на атоме азота, обладают основными свойствами. Основность аминов проявляется уже в водных растворах (основанием в водном растворе является сам амин, а не гидроксид-ион). Амины являются более сильными основаниями, чем вода, и более слабыми основаниями, чем гидроксид-ион:

Как типичные основания, амины реагируют с разбавленными растворами протонных кислот и с кислотами Льюиса с образованием солей:

Равновесие в системах «основание – кислота» устанавливается довольно быстро и определяется разностью свободных энергий ∆G⁰ основания и сопряженной кислоты. На относительную устойчивость этих частиц влияют три основных фактора:

• структурные особенности молекул;

• электронные эффекты заместителей;

• природа растворителя.

Амины более сильные основания, чем вода, спирты и простые эфиры, вследствие меньшей электроотрицательности атома азота в сравнении с кислородом. Основность амина определяется тем, насколько легко атом азота предоставляет свою НЭП протону (или любой частице с вакантной орбиталью) для образования ковалентной связи. Любой структурный фактор, увеличивающий электронную плотность на азоте, будет увеличивать основность, а любой фактор, вызывающий оттягивание этой пары от азота, будет способствовать уменьшению основности.

Таким образом, последовательное замещение атомов водорода в аммиаке на алкильные группы, обладающие +I эффектом, будет приводить к увеличению электронной плотности на азоте, т. е. к увеличению основности. Константы основности аммиака и алифатических аминов с различной степенью замещения, измеренные в газовой фазе, показывают, что основность возрастает в следующем ряду:

аммиак < первичные амины < вторичные амины < третичные амины

Однако при изменении величины К_в в жидкой фазе характер этой зависимости несколько искажается, в частности, основность третичного амина уменьшается по сравнению со вторичным. Можно предположить, что наличие третьей алкильной группы в молекуле амина создает пространственные препятствия как для захвата протона, так и для сольватации образовавшегося катиона молекулами растворителя.

Существует еще один подход для сравнения основных свойств аминов. Предполагают, что основность зависит от степени компенсации положительного заряда на протонированном азоте. Алкильные заместители за счет +I эффекта рассредоточивают положительный заряд в катионе аммония, т. е. стабилизируют катион:

В отличие от алкиламинов ароматические амины являются более слабыми основаниями. Основность ариламинов так же, как и алкиламинов, определяется доступностью НЭП на азоте для протонирования. У анилина и его производных основность понижена, что связано со значительной делокализацией НЭП атома азота (+М эффект). В молекулах дифениламина и трифениламина степень делокализации π-электронов еще выше, вследствие чего дифениламин более слабое основание, чем анилин, а трифениламин вообще нельзя назвать основанием:

Кв= 4,2 × 10-10	Кв= 7,0 × 10-14	Кв –

Как показано в таблице 7, влияние заместителей на основность ароматических аминов зависит от направления мезомерного и индуктивного эффектов: ЭД заместители повышают основность за счет +I или +М – эффектов, ЭА заместители действуют в обратном направлении, способствуя большей делокализации НЭП азота (–I, –М эффекты).

Таблица 7 – Константы основности замещенных анилина

Заместители	Электронные эфекты	Константы основности (Кв) (Кв анилина = 4,2×10-10)
		пара-изомеры	мета-изомеры	орто-изомеры
–CH3	+ Iэф	12,5 × 10-10	4,9 × 10-10	2,5 × 10-10
–NH2	+Mэф	110 × 10-10	7,6 × 10-10	3,2 × 10-10
–CI	– Iэф	1,5 × 10-10	0,3 × 10-10	0,05 × 10-10
–NO2	–I, –Mэф	0,001 × 10-10	0,032 × 10-10	0,0003 × 10-10

Влияние заместителей на основность аминов зависит не только от электронных эффектов, но и от положения заместителей в кольце. Для СН₃– группы характерен небольшой положительный индуктивный эффект, поэтому, можно ожидать, что введение группы ее в ароматическое кольцо вызовет небольшое повышение основности амина. Это и наблюдается для мета- и пара-замещенных анилина, но не для орто-изомера. Как следует из данных таблицы 7, такой аномальный орто-эффект наблюдается и для других заместителей. В случае N-алкилзамещенных ароматических аминов следует принимать во внимание стерические факторы (табл. 8).

Таблица 8 – Зависимость константы основности от стерических факторов

Соединение	N-метиланилин	N,N-диметиланилин	N,N-диэтиланилин
Кв	5×10-10	2,4×10-10	2,2×10-10

Увеличение числа и объема N-алкильных заместителей приводит к снижению степени делокализации электронов азота, т. е. к повышению силы основания.

Согласно другой интерпретации, электронодонорные заместители способствуют уменьшению положительного заряда катиона анилиния, что стабилизирует его и соответственно увеличивает основность амина. Оттягивание электронов приводит к увеличению положительного заряда иона анилиния и его дестабилизации, т. е. к снижению основности амина.

	Х– подает электроны, стабилизирует катион, увеличивает основность амина
	Y– оттягивает электроны, дестабилизирует катион, уменьшает основность

Благодаря своей основной природе амины сравнительно легко образуют соли как с неорганическими, так и с органическими кислотами:

Соли аминов в водных растворах в большей или меньшей степени гидролизуются, причем соли ариламинов гидролизуются легче, чем соли аминов алифатического ряда. В случае сильных электроноакцепторных заместителей соли анилиния могут не растворяться в водных растворах минеральных кислот, как, например, соли 2,4-динитроанилина или дифениламина.

Химические свойства аминов

1. Реакция ацилирования. Реакция протекает как А_Nu – E_Nu по карбонильной группе. Первичные и вторичные амины гладко реагируют с галогенангидридами и ангидридами кислот с образованием амидов кислот, третичные амины в эту реакцию не вступают:

При использовании галогенангидридов, выделяющийся галогеноводород связывается избытком амина или добавленым щелочным агентом:

Первичные и вторичные амины легко подвергаются ацилированию и при взаимодействии с алкил- и арилсульфохлоридами:

1.1 Ацилирование по методу Шотенна–Баумана. Реакцию осуществляют в присутствии концентрированного водного раствора NaOH, Na₂CO₃, NaHCO_3, CH₃COONa, MgO, CaO, BaO. Образование амида вместо возможного гидролиза ацилирующего агента в этих условиях объясняется тем, что ацилирование происходит в органической фазе (обычно в растворе углеводорода), а нейтрализация кислоты щелочью – в водной фазе:

2. Реакция алкилирования. Первичные, вторичные и третичные амины вступают в реакции с галогеналканами и спиртами. Эти реакции протекают как S_N2:

При алкилировании третичных аминов получают четвертичные аммониевые соединения:

2.1 Образование N-галогенаминов. В слабощелочной среде первичные и вторичные амины образуют с галогенами N-галогенамины:

2.2 Реакция взаимодействия ариламинов с арилгалогенидами. Первичные и вторичные ариламины сравнительно легко реагируют с активированными арилгалогенидами по механизму S_N2.

Например, реакция анилина с 2,4-динитрохлорбензолом приводит к образованию динитродифениламина:

2.3 Перегруппировка Ортона (1901 г.). N-галогенариламины подвергаются перегруппировке с образованием п- и о-галогенариламинов: