Примерное время на чтение статьи: 16 минуты

АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Классификация органических веществ по составу
Углеводороды	Кислородсодержащие вещества	Азотсодержащие вещества
Состоят из атомов углерода и водорода	Кроме атомов углерода и водорода содержат также атомы кислорода	Кроме атомов углерода и водорода содержат также атомы азота

Азотсодержащие вещества можно также разделить на классы по наличию определенных функциональных групп.

• амины – содержат группы –NН₂, –NH–, либо -N< ,
• нитрилы (группа –СN),
• азотистые гетероциклы.

Некоторые органические вещества содержат и азот, и кислород. К ним относятся:

• нитросоединения –NO₂
• амиды –CONH₂,
• аминокислоты – полифункциональные соединения, которые содержат и карбоксильную группу –COOH, и аминогруппу –NH₂

Азотсодержащие вещества
Амины	Нитрилы	Нитросоединения	Амиды	Аминокислоты	Гетероциклы
-NH2; -NH-; -N<	-C≡N	R-NO2	R-C(NH2)=O	-NH2, -COOH
МетиламинCH3-NH2	Нитрил уксусной кислотыCH3-C≡N	НитрометанCH3-NO2	Амид уксусной кислотыCH3-C(NH2)=O	Аминоуксусная кислотаCH2(NH2)-COOH	Пиррол

Азотсодержащие органические соединения, как понятно из названия, содержат в своей молекуле хотя бы один атом азота. Для них характерны связи азот-углерод и углерод-водород. Количество в природе таких соединений очень велико. Это связано со свойством углерода образовывать цепочки из атомов. Связи между атомами углерода могут быть одинарными и кратными, причем чем больше будет кратность, тем выше энергия связи (стабильность) и меньше ее длина. Соединения, включающие в себя азот, являются одними из составляющих живой материи и их значение трудно переоценить. Азот входит в состав: белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, гемоглобина, хлорофилла, гормонов, алкалоидов, некоторых липидов, углеводов и др. Азотсодержащие органические соединения способны к разнообразным превращениям и образованию сложных молекулярных структур, которыми занимается наука биология. Это обуславливает переход от химической формы движения материи к биологической, т.е. от неживого вещества к живому. Использование азотсодержащих соединений широко в повседневной жизни: в технике, промышленности, медицине, сельском хозяйстве и конечно в быту. Они входят в состав лекарств, органических удобрений, различных полимерных материалов, красителей и многого другого. При гниении и расщеплении азотсодержащей органики могут образовываться целые залежи полезных ископаемых, например чилийской селитры. 

АМИНЫ.

Серотонин улучшает аппетит, повышает настроение и контролирует эмоции человека. Адреналин стимулирует центральную нервную систему. Все эти соединения – амины. Без них невоз-можно представить жизнь человека.

Амины – класс органических соединений, производные аммиака (NH₃) и гидрата аммиака NH₃⋅H₂O, у которых один или несколько атомов водорода замещены на углеводородный радикал. Общая формула гомологического ряда C_nH_2n+3N.

Строение аминов.

Аммиак и амины схожи по многим параметрам. Для азота в этих соединениях свойственна sp³-гибридизация.

Поскольку амины являются продуктами замещения водорода в аммиаке, то все они являются донорами электронной пары, принадлежащей атому азота, то есть проявляют свойства оснований (по Льюису). 

Классификация аминов.

1. По степени замещенности атомов водорода в молекуле аммиака на

• первичные амины (NH₂R);
• вторичные (NHR₁R₂)
• третичные (NR₁R₂R₃)
• четвертичные  соли аминов

Радикалы, входящие в молекулу амина могут быть одинаковыми или разными.

2. По типу радикала выделяют амины алифатического и ароматического ряда. Типичным представителем ряда ароматических аминов является анилин C₆H₅−NH₂.

По типу радикалов амины делят на алифатические, ароматические и смешанные.

Изомерия алифатических аминов.

Для алифатических аминов характерны следующие виды  изомерии:

• углеродного скелета (степени разветвленности углеводородного радикала) начиная с C₄H₉NH₂

•  положение аминогруппы, начиная с C₃H₇NH₂

•  изомерия аминогруппы (межклассовая изомерия), связанная с изменением степени замещенности атомов водорода при азоте. Поэтому первичные, вторичные и третичные амины изомерны друг другу:

•  пространственная изомерия (оптическая, начиная с бутиламина)
  
  

Номенклатура аминов.

1. По систематической номенклатуре амины называют путем добавления суффикса «амин» к названию углеводорода. 2. По рациональной номенклатуре их рассматривают как алкил- или ариламины.

У ароматических аминов в основе названия также лежит слово амин, кроме того такие соединения имеют тривиальные названия:

3. Первичные амины часто называют как производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на аминогруппы -NH₂. Аминогруппа при этом рассматривается как заместитель, а ее местоположение указывается цифрой в начале названия.

Например: H₂N−CH₂−CH₂−CH₂−CH₂−NH₂       1,4-диаминобутан

Физические свойства.

Первые представители ряда аминов — метиламин, диметиламин и триметиламин – газы. Остальные низшие амины – жидкости. Обладают резким характерным удушливым запахом. Канцерогены. Высшие амины – твердые вещества, без запаха. Первые предста-вители аминов хорошо растворимы в воде. Высшие амины в воде не растворяются. Это связано с тем, что связь N–H более полярна, чем связь С–H, но менее полярна, чем связь C–O, поэтому водородные связи между молекулами аминов выражены слабее, чем в мо-лекулах спиртов.

Для усвоения изучаемого материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://yandex.ru/video/preview/8519438500183996458

Восстановление нитросоединений

Получение аминов.

Первичные амины получают восстановлением нитросоединений.

• Гидрирование водородом: СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-NO₂ + 3H₂ →СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-NH₂ + 2 H₂O

• Восстановление сульфидом аммония: СН₃-СН₂-NO₂ +3 (NH₄)₂S → СН₃-СН₂-NH₂ + 3 S + 6 NH₃ + 2 H₂O

• Алюминий в щелочной среде. СН₃-СН₂-NO₂ +2 Al + 2 KOH + 4 H₂O → СН₃-СН₂-NH₂ +2 K[Al(OH)₄]
• Алюминий реагирует с щелочами с образованием гидроксокомплексов.

В щелочной и нейтральной среде получаются амины.

• Металлами в кислой среде – железом, оловом или цинком в соляной кислоте. СН₃-СН₂-NO₂ + 3 Fe + 7 HCl → [СН₃-СН₂-NH₃]Cl + 2 H₂O + 3 FeCl₃ В результате образуется соль. При ее взаимодействии с щелочью образуется амин. [СН3-СН₂-NH₃]Cl + KOH → СН₃-СН₂-NH₂ + H₂O + KCl 

Алкилирование аммиака и аминов

При взаимодействии аммиака с галогеналканами происходит образование соли первичного амина, из которой действием щелочи можно выделить сам первичный амин.

Если проводить реакцию с избытком аммиака, то сразу получится амин, а галогеноводород образует соль с аммиаком: СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-Br + NH₃ → [СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-NH₃]Br [СН₃-СН₂-СН₂-NH₃]Br + KOH → СН₃-СН₂-СН₂ -NH₂ + H₂O + KBr При избытке аммиака амин образуется сразу. R-Br + 2NH₃ → R-NH₂ + NH₄Br

Гидрирование нитрилов

Таким образом получают первичные амины. Возможно восстановление нитрилов водородом на катализаторе:

Реакция проходит в жестких условиях в присутствии катализатора.

Для усвоения изучаемого материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://yandex.ru/video/preview/3864671412302279318

Химические свойства аминов.

Свойства аминов как оснований

Химические свойства алифатических аминов определяются главным образом наличием у атома азота неподеленной пары электронов.За счет неподеленной пары электронов атома азота амины способны присоединять протон, проявляя при этом основные свойства. Связь протона с амином, как и с аммиаком, образуется по донорно-акцепторному механизму.

Амины – органические основания.

1. Взаимодействие с водой

Водные растворы алифатических аминов (алкиламинов) имеют щелочной характер, т.к. при взаимодействии с водой образуются гидроксиды алкиламмония, аналогичные гидроксиду аммония:

Механизм реакции

Общее уравнение реакции

Амины изменяют окраску индикаторов.

2. Взаимодействие с кислотами (реакция нейтрализации)

Алкиламины как основания образуют соли с минеральными кислотами, которые являются аналогами солей аммония:

С органическими кислотами возможны аналогичные реакции:

Соли аминов – твердые вещества, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые в неполярных органических растворителях. Щелочи, как более сильные основания, вытесняют амины из их солей:

Способность к образованию растворимых солей с последующим их разложением под действием оснований часто используют для выделения и очистки аминов, не растворимых в воде.

II. Окисление аминов

Алифатические амины окисляются под действием сильных окислителей. В отличие от аммиака, низшие газообразные амины способны воспламеняться от открытого пламени.

Реакция горения (полное окисление)

Продуктами горения аминов, как и других азотсодержащих органических соединений, являются углекислый газ, вода и свободный азот:

III. Взаимодействие с азотистой кислотой (отличие первичных аминов от вторичных и третичных)

Качественная реакция на амины!

Азотистая кислота HNO₂ — неустойчивое соединение, поэтому ее получают непосредственно в процессе реакции действием сильной минеральной кислоты (НСl, H₂SO₄) на соль азотистой кислоты (нитрит):

Строение продуктов реакции с азотистой кислотой зависит от характера амина. Поэтому данная реакция используется для различения первичных, вторичных и третичных аминов. Важное практическое значение имеет реакция азотистой кислоты с первичными ароматическими аминами.

При действии азотистой кислоты на первичные амины выделяется свободный азот и образуются спирты:

Вторичные амины с азотистой кислотой дают N-нитрозамины – маслянистые жидкости с характерным запахом:

Третичные алифатические амины с азотистой кислотой не реагируют.

Для усвоения изучаемого материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке:https://yandex.ru/video/preview/5174954731458332922

Основные представители ряда аминов.

Алкиламины

Метиламин CH₃−NH₂ — при нормальных условиях бесцветный газ с запахом аммиака. Как правило используется в виде растворов: 40 % масс в воде, в метаноле, этаноле или ТГФ (тетрагидро-фуране). Метиламин применяется для синтеза пестицидов, лекарств, красителей. Наиболее важными из продуктов являются N-Метил-2-пирролидон (NMP), метилформамид, кофеин, эфедрин и N,N’-диметилмочевина. 

По своим химическим свойствам метиламин является типичным первичным амином, то есть подобно аммиаку, образует четвер-тичные соли с кислотами и реагирует с водой, образуя донорно-акцепторную связь, при взаимодействии со сложными эфирами или ацилхлоридами дает амиды.

Триметиламин (CH₃)₃N, подобно другим низкомолекулярным аминам, является газом с аммиачным, или «рыбным» запа-хом, образуется в природе при разложении рыбы. В промышленности триметиламин получают взаимодействием метило-вого спирта или диметилового эфира с аммиаком; используют для производства бактерицидов, флотореагентов, кормовых добавок. 

Амины образуются в растениях и животных в результате биохимического распада аминокислот под действием ферментов. Они обладают высокой биологической активности. Амины животного происхождения – серотонин, адреналин, мелатонин, тирамин и др. Амины растительного происхождения – кофеин, кокаин, никотин, хинин и др. Практически все амины ядо-виты. Ароматический амин анилин проникает через кожу, окисляет гемоглобин, угнетает работу центральной нервной системы. Его действие может привести к гибели. Отравление можно выявить по следующим признакам: трудности при ды-хании, посинение носа, губ, кончиков пальцев, сильное сердцебиение, обмороки. Первая помощь: смыть анилин спиртом, дать возможность дышать чистым воздухом, вызвать медицинских специалистов. Алифатические амины оказывают нега-тивное влияние на нервную систему, нарушают работу печени, развивают дистрофию. Некоторые ароматические амины — канцерогены, способные вызвать рак мочевого пузыря. Опасны даже пары аминов.

АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ. АНИЛИН.

Анилин – это соединение, которое относят к органическим веществам. Принадлежит к классу аминов. Чтобы понять, что такое амины, можно представить формулу аммиака, затем один атом водорода или все заменить углеводородным ради-калом. Анилин  (фениламин) — понятие, строение, физические свойства Если в формуле аммиака только один водородный атом заме-нить фенил радикалом, получится анилин (фениламин). Поэтому его можно считать производным аммиака. Вещество называют также аминобензол.

Можно иначе представить это соединение. Если в формуле бензола вместо одного водорода поставить аминогруппу, полу-чается анилин. Значит это производная бензола, где атом водорода замещается на аминогруппу. Эмпирическая (молеку-лярная) формула фениламина C₆H₅NH₂. Его записывают с помощью структурной формулы: Аминобензол содержит две группы атомов: аминогруппу и фенил радикал. Они оказывают влияние на свойства вещества. Аминогруппа NH₂– состоит из атома азота и двух атомов водорода. У азота на внешнем энергетическом уровне содержится 5 электронов. Два электрона образуют химическую связь с атомами углерода, один электрон образует связь с углеродом фенил радикала. У него еще остаётся два электрона. Они образуют свободную пару электронов. 

 Аминогруппа в составе анилина может присоединять протон водорода. Поэтому соединение проявляет свойства оснований. Так как по определению, вещества, присоединяющие протон водорода, принято считать основаниями. Фенил радикал C₆H₅ – имеет в своём составе бензольное кольцо. Благодаря этому фениламин должен вступать в реакции, характерные для бензола. Так как 2 группы ато-мов находятся в одном соединении, они ока-зывают влияние друг на друга. Фенил радикал, влияя на функциональную группу, вовле-кает свободную пару электронов в π — электронную систему. Такое смещение плотности влияет на проявление свойств соединения как основания. В результате фениламин не вступает во взаимодействие с водой. Аммиак, таким образом, более сильное основание. Функ-циональная группа влияет на π — систему. Нарушается равномерное распределение электронной плотности. Она повышается у атомов 2,4,6 (в орто — и пара — положениях). Именно здесь будет идти замена водорода на другие атомы в химических реакциях.

Фениламин — это жидкость, маслянистая и ограниченно раство-ряющаяся в воде. Растворяется в органических соединениях.  Кипит при температуре 1840С, замерзает при температуре –60°С. При окислении окрашивается в красно-бурый цвет. Молярная масса 93 г/моль. Плотность вещества при 200°С состав-ляет 1,02173 г/см³. Вещество ядовито. Его относят ко второму классу опасности. При контакте с кожей может вызвать аллергию. При попадании в организм вызывает отравление. Есть информация о том, что оно может вызвать генетические мутации, возникает риск возникновения раковых заболе-ваний. Его называют ядом крови, так как вызывает кислородное голодание.

Получение анилина.

Фениламин получают из нитробензола. Этот способ был предложен русским учёным Н. Н. Зининым. Поэтому получил название «реак-ция Зинина».  Проводят взаимодействие железа с нитробензолом в присутствии соляной кислоты.  Идёт восстановление нитробензола до анилина. Синтез можно представить уравнениями реакций: Fe + 2HCl = FeCl₂ + 2H С₆Н₅NO₂+6H=C₆H₅NH₂+2H₂O

При взаимодействии анилина с галогеналканами и спиртами получают смесь вторичных, а также третичных аминов. Такое превраще-ние носит название алкилирование.

Для вещества характерны две группы свойств.

Реакции, идущие за счёт функциональной группы: Фениламин взаимодействует с кислотами. В результате образуются соли. При взаимодействии анилина с хлороводородной кислотой получается хлорид фениламмония, или анилин солянокислый: C₆H₅NH₂+HCl=(C₆H₅ NH₃)⁺Cl^—  

Получение аммониевых соединений с галогенопроизводными

N-алкилирование аминов, получение вторичных и третичных аминов:

N-ацилирование аминов, получение N-замещенных амидов:

Химические свойства.

Реакции,идущие за счёт фенил-радикала.

Для фениламина характерна реакция замещения, например бромирование. В результате получают 2,4,6 триброманилин. Образуется осадок белого цвета, поэтому реакцию считают качественной на обнаружение данного вещества. Уравнение реакции с бромом выг-лядит следующим образом: C₆H₅NH₂ +3 Br₂ = C₆H₂Br₃NH₂ + 3HBr

Нитрование, при котором происходит замещение в кольце ароматических аминов:

Вступает во взаимодействие с азотной кислотой, образуя тринитроанилин:

Сульфирование:

Гидрирование:

Применение анилина.

Большая часть фениламина идёт для синтеза красителей. Его используют в получении типографской краски и синтетических краси-телей для текстильной промышленности. 

Так в кислой среде анилин окисляется дихроматом калия, в результате получается чёрный краситель. Эта реакция также рассматривается как качественная на фениламин: 6C₆H₅NH₂+4K₂Cr₂O₇+19H₂SO₄ = 6C₆H₄O₂ + 4K₂SO₄ + 4Cr₂(SO₄)₃ + 3(NH₄)₂SO₄ + 16H₂O

Вещество является исходным для получения лекарственных препаратов. Сульфаниламидные соединения, получаемые на основе анилина, используют в медицине в качестве лекарств. Это производные анилина. К ним относятся: парацетамол, фенацетин и другие. Также на основе соединения производят химические средства защиты растений, различные смолы, крем для обуви, взрывчатые вещества.

Анилин ядовит! Действуя на центральную нервную систему, он вызывает в крови образование метгемоглобина и дегенеративные изменения эритроцитов, гемолиз, следствием чего является кислородное голодание организма. Анилин проникает в организм через органы дыхания в виде паров, а также при всасывании через кожу и слизистые оболочки, которое особенно усиливается при повышении температуры воздуха и приёме алкоголя. Возможны острые и хронические (анилизм) отравления анилином. При лёгком отравлении анилином наблюдаются слабость, головокружение, головная боль, синюшность губ, ушных раковин, ногтей. При отравлениях средней тяжести присоединяется тошнота, иногда рвота, появляется шатающаяся походка, учащённый пульс. При хронических отравлениях возможен токсический гепатит, нервно-психические нарушения, расстройство сна, снижение памяти и т. д.

Для усвоения изучаемого материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://yandex.ru/video/preview/13234782084068702196

Для закрепления изученного материала перейдите по ссылке: https://learningapps.org/watch?v=przchf1vj23 и выполните задания.

СУЛЬФАНИЛОВАЯ КИСЛОТА. СУЛЬФАНИЛАМИДНЫЕ ПРЕПАРАТЫ.

Сульфаниловая кислота.

Сульфаниловая кислота (n-аминобензолсульфокислота, 4-аминобензолсульфоновая кислота, анилин-4-сульфоновая кислота) — внутренняя соль, формула которой C₆H₇NO₃S, структурная NH₂—C₆H₄—SO₃H. Представляет собой белые до серого цвета кристаллы, разлагающиеся при 280—300 °C, ограниченно растворимые в воде (1 г в 100 г при 20 °C). Сульфаниловая кислота — внутренняя соль, в которой аминогруппа нейтрализована остатком сульфокислоты, поэтому она не образует солей с минеральными кислотами, но её сульфогруппа может быть нейтрализована щелочами.

Сульфаниловую кислоту получают из анилина; нагреванием АНИЛИНСУЛЬФАТА C₆H₅NH₂×H₂SO₄ при 180—200 °C. Из реакционной смеси, полученной нагреванием анилина с 3 молями серной кислоты в течение 5 часов при 180—190 °C, можно выделить чистую сульфаниловую кислоту с выходом 60 %. Малая растворимость кислоты в холодной воде облегчает её отделение от избытка серной кислоты и от дисульфокислот. Лучшим техническим методом получения сульфаниловой кислоты является нагревание моносульфата анилина в течение 8 часов при 180 °C. Сульфаниловая кислота образуется также при кипячении анилина с 2 весовыми частями олеума в течение нескольких минут, однако при этом происходит сильное разложение.

Сульфаниловая кислота используется как аналитический реагент. Применяется в синтезе красителей. В лаборатории сульфаниловую кислоту используют для определения нитритов и обнаружения некоторых металлов (осмия, рутения и др.). Применение в медицине нашёл амид сульфаниловой кислоты: H₂N—C₆H₄—SO₂NH₂, сульфаниламид, называемый белым стрептоцидом, и некоторые его производные (альбуцид, сульгин, сульфидин, сульфадимезин, сульфазол).

Сульфаниламидные препараты.

Сульфаниламиды — противомикробные средства, производные пара(π)-аминобензолсульфамида — амида сульфаниловой кислоты. Многие из этих веществ с середины двадцатого века употребляются в качестве антибактериальных препаратов. пара-Аминобензолсульфамид — простейшее соединение класса — также называется белым стрептоцидом и применяется в медицине до сих пор. Несколько более сложный по структуре сульфаниламид пронтозил (красный стрептоцид) был первым препаратом этой группы и вообще первым в мире синтетическим антибактериальным препаратом. Сульфаниламиды действуют бактериостатически, то есть временно подавляют способности микроорганизмов к размножению. Сульфаниламиды обладают химиотерапевтической активностью при инфекциях, вызванных грамположительными и грамотрицательными бактериями, некоторыми простейшими (возбудители малярии, токсоплазмо-за), хламидиями (при трахоме, паратрахоме).

Их действие связано главным образом с нарушением образования микроорганизмами необходимых для их развития ростовых факторов — фолиевой и дигидрофолиевой кислот и других веществ, в молекулу которых входит пара-аминобензойная кислота.