Номенклатура, строение и получение аминов
Общие сведения
Амины представляют собой важнейший класс органических соединений, которые рассматриваются как производные аммиака. В структуре аминов один, два или все три атома водорода молекулы аммиака замещены на углеводородные радикалы — алкильные или арильные группы. Данные вещества играют колоссальную роль как в органическом синтезе, так и в функционировании живых систем. Многие биологически активные молекулы, регулирующие физиологические процессы в организме человека и животных, по своей химической природе являются аминами. В частности, к этому классу относятся важнейшие нейромедиаторы, обеспечивающие передачу нервных импульсов в синапсах центральной и периферической нервной системы, что делает изучение аминов неотъемлемой частью биохимии, физиологии и фармакологии.
Классификация
Основная классификация аминов базируется на степени замещения атомов водорода в молекуле аммиака. В соответствии с этим критерием выделяют первичные амины, в которых только один атом водорода замещен на углеводородный радикал (они содержат аминогруппу NH2). Вторичные амины характеризуются замещением двух атомов водорода на углеводородные цепи, оставляя иминогруппу NH. Третичные амины образуются при полном замещении всех трех атомов водорода аммиака углеводородными радикалами, в результате чего атом азота связывается непосредственно с тремя атомами углерода.
Номенклатура аминов исторически развивалась в нескольких направлениях. Традиционная (рациональная) номенклатура предписывает называть простейшие амины путем перечисления присутствующих алкильных групп с добавлением суффикса «-амин» (например, диметиламин, циклогексиламин). Международная система ИЮПАК рассматривает амины как производные углеводородов с использованием префикса «амино-». В этой системе соединение получает название, например, 1-аминопропан или 2-аминопропан, в зависимости от положения аминогруппы. Для вторичных и третичных аминов префикс названия включает самую длинную алкильную цепь, а остальные радикалы указываются как заместители.
В современной химической литературе и специализированных базах данных (например, Chemical Abstracts) широкое распространение получила более удобная система, аналогичная номенклатуре спиртов. В ней название формируется добавлением суффикса «-амин» к названию соответствующего алкана (например, 1-бутанамин, 1-гексанамин). Для вторичных и третичных аминов выбирается наиболее длинная углеродная цепь, а остальные алкильные группы рассматриваются как заместители у атома азота и обозначаются локантом «N-» (например, N-пропил-1-пропанамин). Исторически сложившиеся тривиальные названия также сохраняются; классическим примером является анилин, систематическое название которого — бензоламин.
Пространственное строение аминов аналогично строению молекулы аммиака. Атом азота находится в состоянии sp3-гибридизации и образует структуру в форме тригональной пирамиды, в одной из вершин которой располагается неподеленная электронная пара. Наличие различных углеводородных радикалов вместо легких атомов водорода оказывает влияние на валентные углы между связями вследствие стерических (пространственных) затруднений, однако общая геометрия молекулы сохраняется.
Способы получения
Методология синтеза аминов включает множество разнообразных подходов. Простейшим методом является прямое алкилирование аммиака галогеналканами, открытое Гофманом в 1849 году. Реакция протекает последовательно с образованием первичных, вторичных, третичных аминов и, в конечном итоге, четвертичных аммониевых солей. Соотношение продуктов сильно зависит от пропорций реагентов. Избыток аммиака способствует образованию первичных и вторичных аминов, тогда как избыток алкилгалогенида ведет к накоплению третичных аминов и аммониевых солей. Из-за образования сложной смеси этот метод редко применяется в лаборатории для получения чистых веществ, но используется в промышленности, где применяются эффективные методы разделения. В качестве растворителей используются этанол, метанол, диметилформамид или диметилацетамид.
Для селективного получения чистых первичных аминов применяется метод Габриэля (непрямое алкилирование). В этой реакции фталимид калия алкилируется алкилгалогенидами в диметилформамиде с образованием N-алкилфталимида. Взаимодействие последнего с гидразингидратом в спиртовом растворе приводит к снятию фталоильной защиты и выделению первичного амина. Метод Габриэля исключает образование вторичных и третичных аминов, что делает его весьма ценным препаративным способом. Он также используется для синтеза сложных физиологически активных веществ, таких как дофамин, и эфиров альфа-аминокислот.
Восстановление нитрилов позволяет получать первичные амины путем гидрирования тройной связи углерод-азот. Восстановление может проводиться каталитически водородом или действием алюмогидрида лития либо диборана. При каталитическом гидрировании нитрилов возможно образование значительного количества (до 30 процентов) вторичного амина как побочного продукта. Для подавления этого процесса реакцию проводят в присутствии большого избытка аммиака или в среде уксусного ангидрида, который немедленно ацилирует образующийся первичный амин, предотвращая его дальнейшее реагирование.
Восстановление амидов карбоновых кислот под действием алюмогидрида лития или диборана в эфире или тетрагидрофуране является надежным способом получения аминов с сохранением углеродного скелета. Этим методом, в частности, синтезируют мескалин. Восстановление азидов также служит высокоэффективным методом синтеза первичных аминов (с выходом около 89 процентов). Азиды, получаемые замещением галогена на азид-ион, восстанавливаются алюмогидридом лития или водородом на палладиевом или бариевом катализаторе. Следует учитывать, что низкомолекулярные азиды обладают взрывоопасными свойствами.
Восстановительное аминирование карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) является одним из наиболее универсальных и широко применяемых методов, в том числе в фармацевтической промышленности для синтеза лекарственных препаратов (например, амфетамина). Взаимодействие карбонильного соединения с аммиаком приводит к образованию иминов, которые затем гидрируются водородом на никеле Ренея или восстанавливаются стабильным цианоборгидридом натрия (NaBH3CN). Использование первичных или вторичных аминов вместо аммиака позволяет направленно синтезировать вторичные и третичные амины соответственно.
Специфическим методом синтеза третичных аминов является реакция Эшвайлера-Кларка (модификация реакции Лейкарта). В этом процессе вторичные амины подвергаются восстановительному метилированию формальдегидом. Роль восстановителя выполняет муравьиная кислота. Реакция протекает через образование промежуточного катиона иминия, который отщепляет гидрид-ион от формиат-иона.
Широко применяется восстановление азотсодержащих производных, таких как оксимы и нитросоединения. Оксимы, образующиеся из альдегидов или кетонов и гидроксиламина, легко восстанавливаются комплексными гидридами до первичных аминов. Ароматические и алифатические нитросоединения восстанавливаются металлами в кислой среде (железом или оловом в соляной кислоте, дихлоридом олова). Для селективного восстановления одной из нитрогрупп в полинитроароматических соединениях используют гидросульфид или полисульфид натрия.
Методы, основанные на перегруппировках (перегруппировки Гофмана, Курциуса, Шмидта), позволяют получать амины из карбоновых кислот и их производных с укорочением углеродной цепи на один атом углерода. Ключевым интермедиатом в этих процессах выступает ацилнитрен, который перегруппировывается в изоцианат. Последующий гидролиз изоцианата дает нестабильную карбаминовую кислоту, которая декарбоксилируется с выделением углекислого газа и образованием целевого первичного амина. Примером практического применения перегруппировки Гофмана является синтез фентермина.
Свойства
Химические свойства аминов определяются наличием неподеленной электронной пары на атоме азота, что обуславливает их основные и нуклеофильные свойства. Амины являются классическими основаниями Льюиса. Ввиду того, что атом азота обладает меньшей электроотрицательностью по сравнению с атомом кислорода, амины проявляют значительно более сильные основные свойства, чем спирты или простые эфиры. В водных растворах они присоединяют протон, образуя ионы алкиламмония, и создают щелочную среду. Основность различных аминов варьируется в зависимости от строения углеводородного радикала: алифатические амины, как правило, более основные, чем аммиак, благодаря электронодонорному эффекту алкильных групп.
В биологических системах амины выступают активными участниками метаболических процессов. В частности, передача нервного импульса посредством ацетилхолина (представляющего собой четвертичное аммониевое соединение) прекращается путем его гидролиза под действием фермента холинэстеразы. В результате гидролиза образуются холин и уксусная кислота. Образование уксусной кислоты локально закисляет среду в тканях, что тесно связано с поддержанием кислотно-основного баланса в организме.
Применение
Спектр применения аминов чрезвычайно широк и в первую очередь охватывает медицину, фармакологию и физиологию. Амины составляют основу важнейших биогенных регуляторов центральной и периферической нервной системы. Адреналин, норадреналин, серотонин, дофамин и гистамин являются аминами, контролирующими эмоциональные реакции, процессы возбуждения и торможения, а также воспалительные и аллергические ответы организма.
Многие синтетические и природные лекарственные препараты, а также сильнодействующие вещества содержат аминогруппу. К ним относятся стимуляторы центральной нервной системы (амфетамин), анальгетики и алкалоиды опийного ряда (морфин, кодеин, героин, фентанил), местные анестетики (новокаин, кокаин) и препараты, регулирующие обмен веществ. Кроме того, к классу аминов принадлежит большинство витаминов группы B, таких как пиридоксин (витамин B6), тиамин (витамин B1) и никотиновая кислота (витамин B3), играющих критическую роль в клеточном дыхании и обмене веществ. В промышленности амины используются в качестве растворителей, ингибиторов коррозии, компонентов для синтеза полимеров, красителей и агрохимикатов.