Азотсодержащие функциональные группы
Атом азота входит в состав многих органических веществ и образует функциональные группы, определяющие их основные и кислотно-основные свойства. В этой теме сравниваются аминогруппа \(-\mathrm{NH_2}\) и амидная группа \(-\mathrm{CONH_2}\), а также разбирается, почему амины обычно проявляют основные свойства, а амиды — значительно слабее.
Аминогруппа и амины
Аминогруппа — функциональная группа \(-\mathrm{NH_2}\), состоящая из атома азота и двух атомов водорода. В органических соединениях она связана с углеводородным радикалом: \(\mathrm{R-NH_2}\). Такие вещества называют первичными аминами.
Амины — органические производные аммиака \(\mathrm{NH_3}\), в молекулах которых один, два или три атома водорода замещены углеводородными радикалами. Общие формулы: первичные амины \(\mathrm{R-NH_2}\), вторичные \(\mathrm{R_2NH}\), третичные \(\mathrm{R_3N}\).
У атома азота в амине есть неподелённая электронная пара. Она может присоединять протон \(\mathrm{H^+}\), поэтому амины проявляют основные свойства. Чем доступнее эта электронная пара для связывания протона, тем заметнее основные свойства вещества.
В реакции с водой образуются ионы алкиламмония и гидроксид-ионы, поэтому раствор амина имеет щелочную реакцию. С кислотами амины реагируют с образованием солей аммония.
Пример — метиламин \(\mathrm{CH_3NH_2}\). Он является летучим веществом с резким запахом и проявляет более сильные основные свойства, чем аммиак, поскольку метильная группа усиливает электронную плотность на атоме азота.
Амидная группа и амиды
Амидная группа содержит одновременно карбонильную группу \(\mathrm{C=O}\) и атом азота: \(-\mathrm{CONH_2}\). Амиды карбоновых кислот имеют общий вид \(\mathrm{R-CONH_2}\). Простейший представитель — метанамид, или формамид \(\mathrm{HCONH_2}\); широко известен также этанамид, или ацетамид \(\mathrm{CH_3CONH_2}\).
Амиды — производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа \(-\mathrm{OH}\) карбоксильной группы заменена на аминогруппу \(-\mathrm{NH_2}\) или её производную.
Амидную группу нельзя рассматривать как обычную аминогруппу. Неподелённая электронная пара азота частично смещается к карбонильной группе \(\mathrm{C=O}\). Поэтому она меньше доступна для присоединения протона, и амиды проявляют очень слабые основные свойства или практически не проявляют их в обычных условиях.
В амине электронная пара азота локализована и легко связывает протон. В амиде эта пара сопряжена с карбонильной группой, поэтому основность амидов значительно ниже. Наличие группы \(\mathrm{-CONH_2}\) не означает, что вещество обладает свойствами обычного амина.
| Группа | Общий вид | Основное свойство | Пример |
|---|---|---|---|
| Аминогруппа | \(-\mathrm{NH_2}\) | Основные свойства, образование солей с кислотами | \(\mathrm{CH_3NH_2}\) |
| Амидная группа | \(-\mathrm{CONH_2}\) | Слабые основные свойства; гидролиз | \(\mathrm{CH_3CONH_2}\) |
| Карбоксильная группа | \(-\mathrm{COOH}\) | Кислотные свойства | \(\mathrm{CH_3COOH}\) |
Получение и химические свойства амидов
Амиды образуются при взаимодействии карбоновых кислот с аммиаком или аминами. Сначала возникает соль аммония, а при нагревании она отщепляет воду и превращается в амид.
Главная реакция амидов — гидролиз. В кислой среде образуются карбоновая кислота и соль аммония, а в щелочной среде — соль карбоновой кислоты и аммиак.
Амидные связи особенно важны в биологических молекулах. Связь \(-\mathrm{CO-NH}-\) между аминокислотными остатками называют пептидной. Повторение таких фрагментов образует белковые цепи и некоторые азотсодержащие полимеры.
Какое вещество проявляет наиболее выраженные основные свойства?
Разбор задания: распознавание функциональной группы
Рассмотрим типичную задачу: определить, какое вещество вступит в реакцию с соляной кислотой с образованием соли, и записать уравнение реакции: этан, этиламин и ацетамид.
Нужно выбрать соединение с доступной неподелённой электронной парой на атоме азота и учесть строение каждой формулы.
Ответ: с соляной кислотой реагирует этиламин, образуя хлорид этиламмония. Если в условии требуется сравнить вещества, обязательно ищите не просто атом азота, а именно тип функциональной группы.
1. Называть амид амином только потому, что в нём есть атом азота. 2. Записывать для амида реакцию с кислотой по аналогии с амином без учёта группы \(\mathrm{C=O}\). 3. Путать формулы соли амина и исходного амина: в соли появляется дополнительный атом водорода у азота и анион кислоты. 4. При щелочном гидролизе амида писать карбоновую кислоту вместо её соли.
Как отличать аминогруппу от амидной группы
Алгоритм распознавания прост: найдите атом азота и посмотрите на его ближайшее окружение. Если азот связан с углеродным радикалом, но рядом нет карбонильной группы \(\mathrm{C=O}\), это аминогруппа. Если азот непосредственно соединён с углеродом карбонильной группы, фрагмент имеет вид \(-\mathrm{CONH_2}\) и является амидным.
- Запишите структурный фрагмент вещества.
- Найдите атом азота и связи, которые он образует.
- Проверьте, соединён ли азот с карбонильным углеродом.
- Сделайте вывод о свойствах: амин — основание, амид — слабое основание и объект гидролиза.
Аминогруппа встречается также в аминокислотах: в их молекулах она соседствует с карбоксильной группой. Поэтому аминокислоты проявляют амфотерность: могут реагировать и с кислотами, и со щелочами. В белках аминогруппа участвует в образовании пептидных, то есть амидных, связей.
\(-\mathrm{NH_2}\) — аминогруппа, обычно основные свойства. \(-\mathrm{CONH_2}\) — амидная группа, основность ослаблена из-за сопряжения с \(\mathrm{C=O}\). Амин с кислотой образует соль, амид характерно гидролизуется.
Проверь себя
Главное
- Амины содержат аминогруппу \(-\mathrm{NH_2}\) и проявляют основные свойства.
- Амиды содержат фрагмент \(-\mathrm{CONH_2}\); электронная пара азота сопряжена с карбонильной группой.
- Амины реагируют с кислотами с образованием солей аммония.
- Амиды характерно гидролизуются: в щелочной среде дают соль карбоновой кислоты и аммиак.
- При распознавании функциональной группы важно учитывать не только атом азота, но и наличие рядом группы \(\mathrm{C=O}\)。