§ 45. Строение и физические свойства аминов

Формула аммиака — NH₃. Рассмотрим, как образуются ковалентные связи в молекуле аммиака. На внешнем электронном слое атома азота имеется три неспаренных электрона:

В атоме водорода — один неспаренный электрон:

Тогда схему образования ковалентных связей в молекуле аммиака можно представить следующим образом:

Из схемы видно, что три неспаренных электрона атома азота участвуют в образовании трёх ковалентных связей N—H. В то же время на внешнем слое атома азота остаётся электронная пара. Такая электронная пара называется неподелённой электронной парой. Структурная формула аммиака:Благодаря наличию неподелённой электронной пары атом азота молекулы аммиака может образовать ещё одну ковалентную связь. Например, молекула аммиака способна присоединять катион водорода H⁺, образуя ион аммония:

или

Из рисунка 45.2 видно, что все четыре ковалентные связи N—H в ионе аммония одинаковы. Они образованы посредством общих электронных пар между атомами азота и водорода. Однако механизм образования этих связей различается. Три связи N—H образуются за счёт неспаренных электронов атомов азота и водорода (рис. 45.1). Такой способ образования ковалентной связи называется обменным. Четвёртая связь N—H в ионе аммония образуется за счёт неподелённой электронной пары атома азота и свободной орбитали катиона H⁺ (рис. 45.2). Такой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным. При этом атом азота, предоставляющий электронную пару, называется донором, а катион водорода, принимающий электронную пару на свою свободную орбиталь, — акцептором.

Вещества, способные присоединять катион водорода H⁺, являются основаниями.  Следовательно,  аммиак  —  основание.  Оснóвные  свойства  аммиака проявляются в реакциях с кислотами. В этих реакциях образуются  соли аммония:

Видно, что в реакции с HCl молекула NH₃ присоединяет катион H⁺ и превращается в ион аммония NH₄⁺. В ионе аммония атом азота образует четыре ковалентные связи N—H, поэтому валентность азота равна IV. В хлориде аммония кроме ковалентных связей N—H имеется ионная связь между катионом NH⁺ и анионом Cl^–.

Аммиак  проявляет  оснóвные  свойства  не  только  при  взаимодействии с кислотами, но и с водой. Так, при растворении аммиака в воде протекает обратимая реакция:

или

Видно, что при взаимодействии с водой молекула аммиака присоединяет катион водорода. При этом образуются ион аммония NH⁺ и гидроксид-ион OH^–. Наличие ионов OH^– обусловливает щелочную реакцию водных растворов аммиака.

Амины можно рассматривать как производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы.

Например, заместим один атом водорода молекулы аммиака на метильный радикал:Такое соединение называется метиламин. Метиламин представляет собой бесцветный газ (t_кип = –6 °С) с резким запахом, напоминающим запах аммиака.

Метиламин является простейшим представителем аминов. Его формулу можно записать следующим образом: CH₃—NH₂. Видно, что в молекуле метиламина имеется группа —NH₂, которая называется аминогруппой.

Если заместить два атома водорода молекулы аммиака на метильные радикалы, то получится диметиламин:

Наконец, при замещении всех трёх атомов водорода молекулы аммиака на метильные радикалы получим триметиламин:

В зависимости от числа замещённых атомов водорода амины делят на первичные (замещён один атом водорода), вторичные (замещены два атома водорода) и третичные (замещены три атома водорода):Метиламин CH₃—NH₂ является первичным амином. Учитывая, что общая формула алкильных радикалов C_nH_2n+1 —, легко получить общую формулу гомологов метиламина:

С_nH_2n+1—NH₂

В молекулах аминов, как и в молекуле аммиака, у атома азота имеется неподелённая электронная пара. Благодаря этому амины, как и аммиак, могут присоединять катион водорода H⁺. То есть амины являются органическими основаниями.

Названия аминов состоят из названий углеводородных радикалов, связанных с атомом азота, и окончания -амин. Приведём названия некоторых аминов:

В таблице 45.1 приведены структурные формулы, названия и температуры кипения некоторых насыщенных аминов.

Таблица 45.1. Структурные формулы, названия и температуры кипения насыщенных аминов

Из данных таблицы видно, что только метиламин имеет температуру кипения ниже 0 °С, следовательно, при нормальных условиях только метиламин является газом.

Более высокие, по сравнению с углеводородами, температуры кипения аминов обусловлены образованием водородных связей между их молекулами: