Теоретические основы синтеза аминов

Из множества способов получения аминов необходимо выделить два основных типа: 1) введение аминогруппы в молекулы органических веществ; 2) превращение уже имеющихся азотсодержащих функциональных групп в аминогруппу.

К первому типу реакций относится замещение водорода, галогена, гидроксила, алкоксигруппы, кислорода карбонильной группы и др. на остаток аммиака или амина.

Рис. 1.

Это типичные нуклеофильные реакции. Аминирующими агентами в этом случае являются аммиак, первичные и вторичные амины, амид натрия, фталимид калия, гидроксиламин и др.

Сюда же можно отнести реакции присоединения аммиака и аминов по кратным С=С и С=О связям или к окисям алкенов:

Рис. 2.

Ко второму типу относятся: а) перегруппировки таких соединений как амиды, азиды кислот, оксиды кетонов; б) реакции гидролиза ряда азотсодержащих соединений (амидов, анилидов, нитрилов, изонитрилов, азометинов); в) восстановление различных азотсодержащих функций в аминную.

Аминирование бензольного кольца

Замещение галогена аминогруппой:

.

Алкилгалогениды взаимодействуют с аммиаком, а также с первичными и вторичными аминами, давая первичные, вторичные и третичные амины через стадию образования алкиламмониевых солей (синтез Гофмана).

Аминирующая активность аммиака и алкиламинов связана с нуклеофильностью азота. Каждая из алкильных групп увеличивает электронную плотность на азоте, при этом усиливается реакционная способность аминов. Третичные амины как стерически затрудненные молекулы реагируют в растворах медленнее, чем вторичные амины.

Механизм реакции — нуклеофильный, SN1 или SN2 в зависимости от строения алкилгалогенида и условий реакции. Для первичных алкилгалогенидов в основном это SN2:

.

Галогениды, способные образовывать сравнительно устойчивые карбкатионы (бензил, аллил и др.), реагируют с аминами по механизму SN1:

.

Так как образовавшиеся амины конкурируют с аммиаком за следующую молекулу алкилгалогенида, то в результате реакции получается смесь аминов и четвертичного аммониевого основания. Равновесие можно сдвинуть в сторону образования первичного амина, применяя избыток аммиака, или в сторону третичного амина в избытке алкилгалогенида. Для получения аминов из солей можно использовать щелочи или избыток амина.

Смесь аминов, образовавшихся в результате реакции Гофмана, можно разделить химическими методами. Если смесь аминов обработать HNO2 в кислой среде, то из первичного и вторичного аминов образуются спирт и нитрозоамин соответственно. Третичный амин останется в растворе в виде соли с минеральной кислотой. Нитрозоамин выделяется из раствора в виде осадка или масла. Его извлекают эфиром или отфильтровывают. При подщелачивании раствора разрушается соль третичного амина, и он выделяется в виде основания. В растворе остается лишь спирт, полученный в результате реакции диазотирования первичного амина.

.

Другой метод основан на реакции с арилсульфохлоридами. При взаимодействии смеси первичного и вторичного аминов с бензолили nтолуолсульфохлоридом образуются сульфамиды, которые отличаются друг от друга растворимостью в КОН. Третичный амин с выделяющимся хлороводородом дает соль, выпадающую в осадок.

.

Для получения индивидуальных аминов часто приходится выбирать обходные пути. При этом в реакцию вводят блокированные производные аммиака, которые содержат один свободный атом водорода. Например, фталимид. Блокирующую группу отщепляют после реакции алкилирования. Применение реакции замещения галогена на аминогруппу для синтеза ароматических аминов весьма затруднительно из-за малой подвижности галогена. Тем не менее, можно получить анилин из хлорбензола под действием амида натрия в жидком аммиаке. При этом вначале, очевидно, образуется продукт элиминирования HCl.

Рис. 3.

.

Замещение гидроксила аминогруппой.

Реакции нуклеофильного замещения гидроксильной группы на аминогруппу идут с трудом, требуют высокой температуры и давления. Это вполне естественно, так как по сравнению с алкилгалогенами спирты обладают более слабым алкилирующим действием. Процесс облегчается при протонировании спирта, следствием чего является отщепление гидроксила в виде воды.

.

Для этого следует проводить реакцию в присутствии H2SO4 или HCl, но помнить, что избыток кислоты дезактивирует амин. Из спиртов, как и по реакции Гофмана, получается смесь аминов. В промышленности таким способом получают N, N-диметиланилин.

.

Значительно облегчают процесс аминирования спиртов катализаторы дегидратации — Al2O3, PbO2.

Обычно фенолы не склонны к реакции аминирования. Причиной этого является сопряжение р-электронов кислорода с ароматическим кольцом, приводящее к понижению электрофильности реакционного центра.

Рис. 4.

.

Аммонолиз простых и сложных эфиров.

Заменой алкоксигруппы на аммиак можно получить смесь аминов. При этом полное алкилирование аммиака осуществляется под действием выделившегося в результате реакции спирта.

Простые эфиры фенолов реагируют с аммиаком несколько легче, чем диалкиловые.

Сложные эфиры карбоновых кислот гладко превращаются в амиды.

Реакция подобна гидролизу сложных эфиров, но идет без катализатора, так как сам аммиак обладает основными свойствами.

.

При осуществлении реакций нуклеофильного замещения различных функциональных групп в качестве аминирующего средства можно использовать не только аммиак, но и первичные или вторичные амины.

Арилирование первичных и вторичных аминов.

Введение

в аминогруппу ароматического остатка обычно сопряжено с некоторыми затруднениями, вследствие малой реакционноспособности галоида в ароматических соединениях. Например, хлорбензол и бромбензол не вступают в реакцию с анилином в условиях, аналогичных применяемым для получения этиланилина. Впрочем, в присутствии медной бронзы или йодистой меди эта реакция протекает более гладко.

При взаимодействии третичных аминов с йодистыми алкилами образуются соли четвертичных аммониевых оснований. Общий способ получения таких соединений состоит в смешении обоих компонентов, иногда в каком-либо подходящем растворителе. Реакция протекает при комнатной температуре или при нагревании по схеме.

R'" R" R’N + RHal —> R'" R" R’RNHal.

Вместо галоидных алкилов можно пользоваться диалкилсульфатами или алкиловыми эфирами ароматических сульфоновых кислот, причем получаются сернокислые или арилсульфоновокислые соли соответствующих четвертичных аммониевых оснований.

Реакция образования солей четвертичных аммониевых оснований часто применяется для идентификации третичных аминов, причем в качестве реактива наибольшее применение имеет йодистый метил. Рекомендуется также пользоваться для этой цели метиловым эфиром р-толуолсульфоновой кислоты.

Соли четвертичных аммониевых оснований образуются не только в результате взаимодействия галоидных алкилов или эфиров ароматических сульфоновых кислот с третичными амидами, но и при действии эфиров йодуксусной кислоты на некоторые амины. Легче других вступают в эту реакцию бензилпиперидин, алифатические третичные амины и хинолин.

Легкость образования четвертичных аммониевых солеи сильно зависит от характера исходных соединений.

Наличие заместителей в о-положении к аминогруппе оказывает замедляющее действие на скорость реакции, что ясно видно из сравнения констант, для диметил-о-, -ти р-толуидина, а также для хинолина и изохинолина. Это явление еще более резко выражено при наличии двух заместителей в о-положении к аминогруппе.