Азотсодержащие органические вещества

Группа NH2 в метиламине и в анилине одна и та же, а основные свойства у них разные: бензольное кольцо оттягивает неподелённую электронную пару азота на себя, и анилин оказывается слабее аммиака, тогда как метиламин сильнее. Ученик, у которого «амины — органические основания» выучено как лозунг, в задании на сравнение ставит анилин выше аммиака и не понимает, откуда ошибка.

В кислородсодержащих веществах свойства задаёт группа, и групп там много: гидроксил, карбонил, карбоксил, и каждая определяет свой класс. В азотсодержащих веществах почти всё держится на одном: на неподелённой паре азота, которая принимает протон. У аминокислот к ней добавляется карбоксильная группа, и вещество получается амфотерным. Если запомнить это, десяток реакций выводится сам, а не заучивается по отдельности.

Амины: аммиак с углеводородной приставкой

Амин ведёт себя как аммиак. С кислотой даёт соль: CH3NH2 + HCl = CH3NH3Cl. С водой реакция обратима: CH3NH2 + H2O ⇄ CH3NH3(+) + OH(-), поэтому раствор слабощелочной. Запись ломается в одном месте: пишут CH3NH2Cl, будто хлор присоединяется к азоту без изменения числа водородов. Верно так: атом азота получил четвёртую связь с протоном, и катион метиламмония CH3NH3(+) соединён с хлорид-ионом, как ион аммония NH4(+) в хлориде аммония.

Порядок основных свойств учат цепочкой: диметиламин сильнее метиламина, метиламин сильнее аммиака, аммиак сильнее анилина. Алкильные группы подталкивают электроны к азоту, и пара становится доступнее для протона, а бензольное кольцо вытягивает её на себя, и пара доступна хуже. Раствор анилина индикатор не окрашивает, он слишком слабое основание, а соли анилина с кислотами хорошо растворимы.

Соль амина со щёлочью отдаёт свободный амин, как соль аммония отдаёт аммиак: CH3NH3Cl + NaOH = CH3NH2 + NaCl + H2O, и параллель с NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O здесь стоит держать перед глазами. Первичный алифатический амин реагирует с азотистой кислотой так же, как аминокислота: CH3NH2 + HNO2 = CH3OH + N2 + H2O, и выделившийся азот служит признаком реакции.

С бромной водой анилин реагирует без катализатора: C6H5NH2 + 3Br2 = C6H2Br3NH2 + 3HBr, выпадает белый осадок трибромпроизводного. Типичная ошибка состоит в том, что реакцию записывают как для бензола, с железом и одним бромом. Аминогруппа так активирует кольцо, что катализатор не нужен, и замещаются сразу три атома водорода.

Классификация аминов подводит тех, кто переносит правило со спиртов. В спирте первичность определяется атомом углерода, при котором стоит гидроксил. В амине считают заместители у самого азота: если у азота один углеводородный радикал, амин первичный, два вторичный, три третичный, и трет-бутиламин (CH3)3C-NH2 остаётся первичным, хотя углерод при азоте третичный. Для формулы C3H9N изомеров-аминов четыре: пропиламин, изопропиламин, этилметиламин и триметиламин. Ровно на таких формулах строятся задания на изомерию, и перечисление нужно вести по числу радикалов у азота, иначе один из четырёх теряется.

Получают амины чаще всего из галогеналкана и аммиака: CH3Cl + 2NH3 = CH3NH2 + NH4Cl. Второй аммиак здесь связывает хлороводород, и без него амин получился бы в виде соли. Если галогеналкана много, процесс идёт дальше, до вторичного и третичного амина, поэтому в условии важно, чего больше.

От нитробензола к анилину

Условия нитрования зависят от вещества: бензол нитруют смесью азотной и серной кислот, а метан и другие алканы разбавленной азотной кислотой при нагревании, CH4 + HNO3 = CH3NO2 + H2O. Название условия в записи нужно, иначе уравнение считается неполным. Цепочки превращений со второй части экзамена нередко начинают с бензола: C6H6 + HNO3 = C6H5NO2 + H2O (в присутствии серной кислоты), дальше восстановление нитрогруппы. В школьном варианте это либо водород на катализаторе: C6H5NO2 + 3H2 = C6H5NH2 + 2H2O, либо железо в соляной кислоте: C6H5NO2 + 3Fe + 7HCl = C6H5NH3Cl + 3FeCl2 + 2H2O.

Второй вариант подводит тех, кто видит его впервые. В кислой среде анилин получается не в виде амина, а в виде соли, хлорида фениламмония, и в уравнении стоит C6H5NH3Cl. Чтобы выделить свободный амин, нужна ещё щёлочь: C6H5NH3Cl + NaOH = C6H5NH2 + NaCl + H2O. Если цепочка говорит «получить анилин», а запись останавливается на соли, шаг потерян, и вся цепочка дальше не сходится. В следующих звеньях анилин обычно идёт на реакции замещения или на образование соли с кислотой, и разница между амином и солью определяет ответ.

Аминокислоты: две группы в одной формуле

Простейшая аминокислота, глицин, H2N-CH2-COOH, и все реакции с ней разбираются двумя вопросами: какая группа реагирует и что получится. С соляной кислотой работает аминогруппа: H2N-CH2-COOH + HCl = HOOC-CH2-NH3Cl. Со щёлочью работает карбоксил: H2N-CH2-COOH + NaOH = H2N-CH2-COONa + H2O. С этиловым спиртом в присутствии кислоты тоже карбоксил, получается сложный эфир: H2N-CH2-COOH + C2H5OH = H2N-CH2-COOC2H5 + H2O. С азотистой кислотой реагирует аминогруппа, выделяется азот: H2N-CH2-COOH + HNO2 = HO-CH2-COOH + N2 + H2O.

Глицин в цепочках получают из уксусной кислоты в два шага: CH3COOH + Cl2 = ClCH2COOH + HCl, затем ClCH2COOH + 2NH3 = H2N-CH2-COOH + NH4Cl. Двойка перед аммиаком стоит снова из-за хлороводорода, который вторая молекула аммиака связывает в хлорид аммония, и забыть её так же легко, как в получении метиламина выше.

Типичная потеря в этом блоке: натрий присоединяют к азоту, а хлороводород к карбоксилу. Так выходит, если запомнить «аминокислота реагирует и с кислотой, и со щёлочью», но не запомнить, кто с кем. Спасает привычка перед записью спросить себя: кислота — значит, группа основная, амино; щёлочь — значит, кислотная, карбоксил.

Состав C2H5NO2 подходит и глицину, и нитроэтану: аминокислоты межклассово изомерны нитросоединениям. Ученик, увидевший в формуле азот и два кислорода, не всегда понимает, о чём речь, и ответ зависит от того, как соединены атомы: нитрогруппа NO2 сидит при углероде целиком, а в глицине кислород входит в карбоксил и азот отдельно в аминогруппе. Глицин реагирует и с кислотой, и со щёлочью, а у нитроэтана основных свойств нет, и с соляной кислотой он не реагирует.

Раствор аминокислоты с одной аминогруппой и одним карбоксилом близок к нейтральному, а если карбоксилов два, среда кислая, если аминогрупп две, щелочная. В кристалле такая молекула существует в виде внутренней соли, H3N(+)-CH2-COO(-): водород карбоксила перешёл на азот, и этим объясняются высокие температуры плавления аминокислот. Из названий достаточно знать, что в альфа-аминокислоте аминогруппа стоит у соседнего с карбоксилом атома углерода; аланин, CH3-CH(NH2)-COOH, называется 2-аминопропановой кислотой.

Пептиды и белки

Связь между двумя остатками аминокислот, -CO-NH-, образуется с потерей воды, и в уравнении воду видно: 2H2N-CH2-COOH = H2N-CH2-CO-NH-CH2-COOH + H2O. Для трёх аминокислот воды две, вообще на единицу меньше числа остатков, и этот счёт теряют, когда пишут уравнение для полипептида или для полиамида. Поликонденсация аминокапроновой кислоты, из которой делают капрон, записывается с тем же счётом: n H2N-(CH2)5-COOH = [-NH-(CH2)5-CO-]n + (n-1)H2O. Подробнее про такие реакции и про отличие поликонденсации от полимеризации в статье о полимерах и реакциях полимеризации.

Строение белка описывают на нескольких уровнях: последовательность остатков держится на пептидных связях, спираль и складки на водородных. Нагревание, кислоты, соли тяжёлых металлов портят этот второй уровень, но пептидные связи остаются: это денатурация. Гидролиз, наоборот, рвёт сами пептидные связи и в итоге даёт смесь аминокислот. Два процесса легко смешать, и тогда неверно записывается продукт: при денатурации новых веществ с меньшей молярной массой не появляется, при гидролизе появляются.

Белки узнают по двум цветным реакциям. Биуретовая, свежеосаждённый гидроксид меди в щелочной среде, даёт фиолетовое окрашивание. Ксантопротеиновая, концентрированная азотная кислота, даёт жёлтое, и она работает только на белки с ароматическими остатками. Их легко перепутать, и в качественных заданиях это стоит балла.

Конец органики: почему тема не удерживается

Азотсодержащие вещества идут в десятом классе ближе к концу органики, после кислородсодержащих, и приходятся на конец учебного года, когда времени на повторение остаётся меньше. К экзамену они забываются по двум причинам: проходятся последними и потому повторяются последними, и в них больше всего «чужих» групп сразу, незнакомых по прошлым темам. Какие задания экзамена 2027 года отданы этим веществам, покажут демоверсия и спецификация; их стоит сверить с описанием в статье о структуре ЕГЭ по химии и со списком второй части в разборе второй части.

Если амины остаются у ученика набором незнакомых слов, начинать надо с аммиака: с того, как он присоединяет протон и что получается при этом с зарядом и числом связей азота. Когда аммиак понят, метиламин с кислотой выводится по аналогии, а анилин получает пояснение, почему он слабее. Второй шаг: аминокислоту всегда рисовать двумя группами и подписывать, какая реагирует. Проверка простая: пусть ученик сам напишет, что получится из глицина с каждым из четырёх реактивов, соляной кислотой, щёлочью, этанолом и азотистой кислотой, и подпишет, какая группа в каждой реакции участвует. Третий шаг, когда это отработано: на одном листе выписать реактив, группу, с которой он работает, и продукт, по строчке на реактив, и перед экзаменом перечитывать только этот лист. Как эта тема встраивается в весь предмет, видно по статье о последовательности школьной химии.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• подготовка к ЕГЭ по химии
• репетиторы для 10–11 класса

Вопросы и ответы

Почему анилин слабее аммиака, если у него тоже азот? Бензольное кольцо притягивает электронную пару азота, и для протона она менее доступна. Алкильный радикал действует в обратную сторону, подталкивает электроны к азоту, и поэтому метиламин сильнее аммиака.

Чем отличается запись реакции аминокислоты с кислотой от реакции с щёлочью? С кислотой реагирует аминогруппа, и получается соль с катионом, например HOOC-CH2-NH3Cl. Со щёлочью реагирует карбоксил, и получается соль аминокислоты с натрием, H2N-CH2-COONa, и вода. Если перепутать, что с чем, баланс может сойтись, а ответ окажется неверным: поэтому перед записью стоит назвать вслух, какая группа в реакции участвует, и записывать уже её.

Сколько молекул воды выделяется при образовании пептида из пяти аминокислот? Четыре: на одну меньше, чем остатков, потому что каждая связь соединяет двух соседей. Для десяти остатков девять.

Реагирует ли анилин со щёлочью? Нет. Анилин основание: со щёлочью он не взаимодействует, с кислотами даёт соли. Со щёлочью реагирует фенол: гидроксил при кольце даёт кислотные свойства, тогда как у анилина аминогруппа при кольце сохраняет основные.

Нужно ли знать аминокислоты наизусть? Формулы глицина и аланина надо знать наизусть, это базовая пара. Остальные обычно выводятся из названия: по приставке и корню видно, какие группы и цепь в молекуле. Лучше потратить время на то, чтобы уверенно записывать реакции для этих двух.