Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Величко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Нітрогеновмісні сполуки

Багато органічних речовин містять крім Карбону, Гідрогену, Оксигену ще й Нітроген. З курсів xiмiї та 6іології 9 класу ви можете пригадати, що Нітроген входить до складу таких важливих сполук, як амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти. Важливими для людини є й аміни, з яких ви розпочнете вивчення нової теми.

Пригадайте:

що таке функціональна (характеристична) група;
які функціональні групи входять до складу амінокислот;
як амінокислоти сполучаються між собою, утворюючи білки;
яке біологічне значення амінокислот і білків.

Наприкінці вивчення теми ви зможете:

назвати сполуки за правилами номенклатури;
скласти формули структурних ізомерів амінів, амінокислот;
пояснити будову амінів і амінокислот;
пояснити рівні структурної організації білків;
описати фізичні властивості сполук;
записати рівняння реакцій амінів як основ і амінокислот як амфотерних сполук;
пояснити роль амінокислот і білків у харчуванні людини;
розповісти про добування та застосування сполук;
засвоїти терміни: анілін, анілінові барвники, біполярний іон.

§ 21. Аміни. Анілін

АЛІФАТИЧНІ АМІНИ. СКЛАД I БУДОВА МОЛЕКУЛ. Аміни становлять клас сполук, ознакою якого є наявність функціональної аміногрупи —NH₂. Їх можна розглядати як похідні амоніаку, в молекулі якого один або кілька атомів Гідрогену заміщені на алкільні групи. Залежно від числа заміщених атомів розрізняють первинні, вторинні та третинні аміни:

Електронна формула метанаміну СН₃—NH₂:

Атом Нітрогену має неподілену пару електронів, що впливає на властивості речовини.

НОМЕНКЛАТУРА. ІЗОМЕРІЯ. Назви первинних амінів утворюють поєднанням назви алкану та слова амін, перед яким цифрою позначають місце аміногрупи. Назви вторинних і третинних амінів не розглядаємо.

Ми розглядатимемо первинні аміни, загальна формула яких R—NH₂.

R — вуглеводнева група насиченого ряду; такі аміни називають аліфатичними.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. Серед амінів є гази, рідини, тверді речовини. Нижчі аміни мають запах амоніаку, розчинні у воді. Первинні аміни утворюють водневі зв’язки, тому їхні температури кипіння значно вищі, ніж у вторинних і третинних амінів.

Складіть схеми утворення водневих зв’язків між молекулами метанаміну.

Характеристики деяких амінів наведено в таблиці 11, модель молекули метанаміну — на мал. 40.

Таблиця 11

Характеристики амінів

Назва	Структурна формула	Температура кипіння, °С
Метанамін	Н₃С—NH₂	-6,5
Етанамін	C₂H₅—NH₂	17
Пропан-1-амін	С₃Н₇—NH₂	48
Бутан-1-амін	C₄H₉—NH₂	78

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. Реакція окиснення. Аміни горять на повітрі з утворенням вуглекислого газу, води й азоту:

Мал. 40. Масштабна модель молекули метанаміну

Реакції амінів як основ. Аміни взаємодіють з водою. Перевіримо це на досліді.

До розчину метанаміну додамо фенолфталеїн — він забарвлюється в малиновий колір. Отже, розчин має лужні властивості:

Завдяки наявності неподіленої пари електронів аміни реагують з кислотами. Якщо до отвору газовідвідної трубки, з якої виділяється метанамін, піднести склянку з хлоридною кислотою або скляну паличку, змочену цією кислотою, то можна спостерігати утворення білої хмаринки солі:

Реакції амінів підтверджують, що вони мають основні властивості; через це аміни називають органічними основами.

АНІЛІН. СКЛАД І БУДОВА МОЛЕКУЛИ. У разі якщо аміногрупа сполучена з бензеновим ядром, то утворюється ароматичний амін феніламін, або анілін (мал. 41):

, або скорочено С₆Н₅—NH₂.

За фізичними властивостями анілін — безбарвна оліїста рідина, малорозчинна у воді.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ аніліну дещо відмінні від властивостей аліфатичних амінів. Випробування розчинами фенолфталеїну і фіолетового лакмусу засвідчують, що анілін не змінює забарвлення індикаторів. Він реагує лише із сильними кислотами, утворюючи солі:

Із цього можна зробити висновок, що анілін — слабкіша основа, ніж аліфатичні аміни. Така відмінність хімічної поведінки, як ви вже знаєте, пояснюється будовою молекули. Очевидно, наявність у молекулі аніліну бензенового ядра спричиняє послабления основних властивостей. Інакше кажучи, бензенове ядро впливає на аміногрупу.

Проте вам відомо, що вплив атомів у молекулі є взаємним, отже, й аміногрупа впливає на бензенове ядро. Перевіримо це на досліді, порівнявши дію бромної води на бензен і анілін.

Мал. 41. Масштабна модель молекули аніліну

Ви можете пригадати, що бромна вода не діє на бензен, а якщо її добавити до розчину аніліну, то утворюється білий осад 2, 4, 6-трибромоаніліну:

Отже, реакції аніліну підтверджують, що завдяки впливу аміногрупи анілін реагує з бромною водою; водночас через вплив бензенового ядра послаблюються основні властивості аніліну порівняно з аліфатичними амінами.

Зважаючи на велике теоретичне й практичне значения аніліну, розглянемо докладніше його добування і застосування.

ДОБУВАННЯ АНІЛІНУ. Основний спосіб добування аніліну — відновлення нітробензену воднем за температури 250 — 350 °C та наявності каталізатора:

Відновлення можна також проводити металічними залізом, цинком, оловом у середовищі хлоридної кислоти.

Уперше синтез аніліну з нітробензену здійснив російський учений М. М. Зінін у 1842 р., тому реакцію називають реакцією Зініна. Відтоді анілін став легкодоступною сировиною для виробництва великої кількості різноманітних органічних речовин.

Микола Миколайович ЗІНІН

(1812—1880)

Російський хімік, випускник, згодом професор Казанського університету, професор Медико-хірургічної академії у Петербурзі. Синтезував низку органічних сполук, вивчав реакції окиснення й відновлення. Відкрив метод відновлення ароматичних нітросполук, що невдовзі став основою нової галузі хімічної промисловості — анілінофарбової. Видатний педагог, засновник казанської школи хіміків. Серед його учнів — О. М. Бутлеров, М. М. Бекетов, О. П. Бородін.

Мал. 42. Природний індиго добувають із рослин (а, б), а джинси фарбують синтетичним індиго (в)

ЗАСТОСУВАННЯ. Анілін відіграв винятково важливу роль у розвитку синтетичної органічної хімії та хімічної промисловості, зокрема виробництва анілінових барвників і лікарських засобів.

Сама назва аніліну пов’язана з барвниками, його вперше було виділено з продуктів розкладу індиго — синього барвника рослинного походження (від португ. anil — індиго, що означає блакитний) (мал. 42). Перші синтетичні барвники мовеїн (фіолетового кольору) та фуксин (червоного кольору) було добуто в результаті хімічних перетворень з аніліну. Поступово він ставав основною сировиною для синтезу інших барвників, що дістали назву анілінових.

Розвиток анілінофарбової промисловості потребував великої кількості аніліну як вихідної сировини. Найдешевший спосіб його добування — з бензену, оскільки бензен є одним із продуктів переробки кам’яного вугілля. У результаті реакції нітрування бензену утворюється нітробензен, який за реакцією Зініна відновлюється до аніліну.

Склався такий ланцюг перетворень:

Кам’яне вугілля —> Продукти коксування —> Бензен —> Нітробензен —> Анілін —> Синтетичні анілінові барвники.

У цьому ланцюзі тісно переплелися теорія й практика, наука і потреби промисловості. Розвиток теоретичних уявлень про взаємозв’язок між будовою та властивостями органічних речовин сприяв з’ясуванню будови барвників, відкрив шлях для їх синтезу та широкого використання. У свою чергу, розвиток хімічних виробництв стимулював розвиток теоретичної органічної хімії. Згодом було розроблено теорію кольоровості органічних речовин, що пов’язує їхній колір та електронну будову.

Андрій Іванович КІПРІАНОВ

(1896—1972)

Український хімік-органік, академік. Закінчив Харківський університет. Працював у Харківському, Київському університетах, очолював Інститут органічної хімії АН України. Один із перших учених-хіміків застосував електронну теорію для з’ясування залежності властивостей органічних сполук від їхньої будови. На цій основі сформулював теорію кольоровості органічних речовин. Синтезував чимало нових барвників, що їх використовують у промисловості фоточутливих матеріалів. Засновник наукової школи українських хіміків-органіків.

У розробці теорії кольоровості значна роль належить українським ученим, зокрема А. І. Кіпріанову та його учням. Застосування цієї теорії уможливило розв’язування таких важливих практичних завдань, як синтез текстильних барвників заданого кольору, а також створення світлочутливих матеріалів для виробництва кольорових фото- та кіноплівок.

Пошуки дешевої сировини для промисловості сприяли досконалому вивченню складу продуктів переробки кам’яного вугілля, серед яких було виявлено багато цінних сполук, що також використовуються в органічному синтезі.

Анілінофарбова промисловість потребувала й неорганічних речовин, зокрема кислот і лугів. Ці потреби стимулювали паралельний розвиток неорганічного синтезу.

Анілін прислужився не лише промисловості барвників, а й фармацевтичній промисловості. Сам анілін чинить жарознижувальну й знеболювальну дії, проте не використовується як лікарський засіб через високу токсичність, а серед похідних аніліну є багато ліків. Структура аніліну лежить в основі т. зв. сульфамідних препаратів, як відомі вам ліки бісептол, білий стрептоцид та багато інших.

Створення нового лікарського засобу — надзвичайно копітка праця. Із десятків тисяч сполук лише кілька можуть виявити фармакологічну активність, а увійти в медичну практику — лише одиниці. Пошукова робота потребує участі висококваліфікованих фахівців — хіміків-синтетиків, біохіміків, фармакологів, хіміотерапевтів, представників технічних спеціальностей (мал. 43).

Мал. 43. Лікарські засоби є продуктами багатоступеневого синтезу

Українські вчені мають досягнення в синтезі медичних препаратів. Популярний нині протигрипозний засіб ремантадин було створено за участі українських хіміків.

Висновки

Аміни містять функціональну аміногрупу —NH₂, сполучену з вуглеводневою групою.
Через наявність неподіленої пари електронів у атома Нітрогену аліфатичні аміни виявляють основні властивості й реагують з кислотами і водою.
Аміни насиченого ряду — сильніші основи, а анілін — слабша основа.
Анілін виявляє властивості, зумовлені взаємним упливом аміногрупи та бензенового ядра: не діє на індикатори, реагує лише із сильними кислотами, а також із бромною водою.
Основний спосіб добування амінів — відновлення нітросполук. Анілін добувають з нітробензену за реакцією Зініна.
Анілін та його похідні широко використовують у різних галузях промисловості, зокрема в анілінофарбовій та фармацевтичній.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Які сполуки належать до класу амінів?
2. Наведіть приклади ізомерних амінів.
3. Чим зумовлена здатність метанаміну розчинятися у воді?
4. Як відбуваються реакції горіння амінів?
5. Як відбувається реакція метанаміну з хлоридною кислотою?
6. Як позначається на хімічних властивостях аніліну вплив аміногрупи на бензенове ядро?
7. Поясніть вплив бензенового ядра на аміногрупу в молекулі аніліну.
8. Схарактеризуйте значення реакції Зініна.
9. Яку роль відіграв анілін у розвитку хімічної промисловості?
10. Порівняйте галузі застосування аніліну й фенолу.
11. Поясніть на прикладі виробництва анілінових барвників, як ви розумієте взаємозв’язок теорії і практики.

Додаткові завдання

1. Складіть формули ізомерів бутанаміну.

2. Поясніть, чому аміни виявляють властивості основ.

3. Складіть порівняльну таблицю хімічних властивостей аніліну й метанаміну.

4. Солі амінів містяться в оселедцевому розсолі. Обробивши його лугом, можна виділити суміш амінів і використовувати їх для дослідів. Складіть у загальному вигляді рівняння реакції, про яку йдеться.

5. Підготуйте повідомлення про лікарські засоби, в основі яких лежить структура аніліну.

6. Назвіть відомі вам органічні сполуки, що містять йонний зв’язок, напишіть їхні формули.

7. Якщо масовачастка Нітрогену ваніліні становить 12 %, то яка масова частка домішок?

А 20,3%
Б 15,05%
В 12%

8. Для виробництва аніліну масою 93 т затратили нітробензен масою 155 т. Обчисліть вміст чистого нітробензену у вихідній сировині (у відсотках).

Зміст