- Structuur
- Eigenschappen van aminen
- Polariteit
- Fysieke eigenschappen
- Oplosbaarheid in water
- Basiciteit
- Alkylamines versus arylamines
- Typen (primair, secundair, tertiair)
- Opleiding
- Ammoniak-alkylering
- Katalytische hydrogenering
- Nomenclatuur
- Toepassingen
- Kleurstoffen
- Drugs en drugs
- Gasbehandeling
- Landbouwchemie
- Hars fabricage
- Dierlijke voedingsstoffen
- Rubberindustrie
- Oplosmiddelen
- Voorbeelden
- Cocaïne
- Nicotine
- Morfine
- Serotonine
- Referenties
De aminen zijn organische verbindingen die zijn afgeleid van ammoniak. In hen komen covalente bindingen tussen koolstof en stikstof voor. Natuurlijk is het stikstofmolecuul kinetisch inert; maar dankzij biologische fixatie wordt het omgezet in ammoniak, dat op zijn beurt daaropvolgende alkyleringsreacties ondergaat.
Wanneer ammoniak wordt "gealkyleerd", vervangt het een, twee of drie van de drie waterstofatomen door koolstofatomen. Deze koolstofatomen kunnen heel goed afkomstig zijn van een alkyl (R) of aryl (Ar) groep. Er zijn dus alifatische aminen (lineair of vertakt) en aromatisch.
Algemene formule voor een amine. Bron: MaChe, van Wikimedia Commons.
De algemene formule voor alifatische aminen is hierboven weergegeven. Deze formule kan worden gebruikt voor aromatische aminen, aangezien R ook een arylgroep Ar kan zijn. Let op de gelijkenis tussen amine en ammoniak, NH 3 . Praktisch is een H vervangen door een R zijketting.
Als R uit alifatische ketens bestaat, heb je wat bekend staat als een alkylamine; terwijl als R aromatisch van aard is, een arylamine. Van de arylamines is alanine de belangrijkste: een aminogroep, -NH 2 , gehecht aan de benzeenring.
Als er zuurstofrijke groepen in een moleculaire structuur zijn, zoals OH en COOH, wordt de verbinding niet langer een amine genoemd. In dat geval wordt het amine als een substituent beschouwd: de aminogroep. Dit gebeurt bijvoorbeeld in aminozuren, maar ook in andere biomoleculen die van enorm belang zijn voor het leven.
Omdat stikstof wordt aangetroffen in veel van de essentiële verbindingen voor het leven, werden deze als vitale aminen beschouwd; dwz 'vitamines'. Veel van de vitamines zijn echter niet eens amines, en nog meer, ze zijn niet allemaal van levensbelang. Dit neemt echter niet weg dat het van groot belang is voor levende organismen.
Aminen zijn sterkere organische basen dan ammoniak zelf. Ze zijn gemakkelijk te extraheren uit plantaardig materiaal en hebben over het algemeen sterke interacties met de neuronale matrix van organismen; daarom bestaan veel medicijnen en medicijnen uit amines met complexe structuren en substituenten.
Structuur
Wat is de structuur? Hoewel het varieert afhankelijk van de aard van R, is de elektronische omgeving van het stikstofatoom voor allemaal hetzelfde: tetraëdrische. Maar aangezien er een paar niet-gedeelde elektronen op het stikstofatoom (··) is, wordt de moleculaire geometrie piramidaal. Dit is zo met ammoniak en aminen.
Aminen kunnen worden weergegeven met een tetraëder, net als bij koolstofverbindingen. Aldus NH 3 en CH 4 getekend als tetraëders, waarbij het paar (··) is gelegen op een van de hoekpunten boven de stikstof.
Beide moleculen zijn achiraal; echter, beginnen ze chiraliteit vertonen als hun H worden vervangen door R. De amine R 2 NH achiraal indien beide R's verschillend zijn. Het mist echter enige configuratie om het ene enantiomeer van het andere te onderscheiden (zoals het geval is met chirale koolstofcentra).
Dit komt doordat de enantiomeren:
R 2 N-H - H-NR 2
ze worden zo snel uitgewisseld dat ze zich geen van beiden kunnen isoleren; en daarom worden de structuren van de aminen als achiraal beschouwd, ook al zijn alle substituenten op het stikstofatoom verschillend.
Eigenschappen van aminen
Polariteit
Aminen zijn polaire verbindingen, aangezien de NH 2 aminogroep , met een elektronegatieve stikstofatoom, draagt bij aan het dipoolmoment van het molecuul. Merk op dat stikstof het vermogen heeft om waterstofbruggen af te geven, waardoor amines over het algemeen hoge smelt- en kookpunten hebben.
Wanneer deze eigenschap echter wordt vergeleken met die van zuurstofhoudende verbindingen, zoals alcoholen en carbonzuren, resulteren ze in lagere magnitudes.
Het kookpunt van ethylamine, CH 3 CH 2 NH 2 (16,6 ° C) is bijvoorbeeld lager dan dat van ethanol, CH 3 CH 2 OH (78 ° C).
Zo wordt aangetoond dat OH-waterstofbindingen sterker zijn dan die van NH, ook al kan een amine meer dan één brug vormen. Deze vergelijking is alleen geldig als R hetzelfde molecuulgewicht heeft voor de twee verbindingen (CH 3 CH 2 -). Aan de andere kant kookt ethaan bij -89 ° C, waarbij CH 3 CH 3 een gas is bij kamertemperatuur.
Omdat een amine minder waterstof bevat, vormt het minder waterstofbruggen en wordt het kookpunt verlaagd. Dit wordt waargenomen door het kookpunt van dimethylamine, (CH 3 ) 2 NH (7 ° C), te vergelijken met dat van ethylamine (16,6 ° C).
Fysieke eigenschappen
In de wereld van de chemie, wanneer het over een amine gaat, ontstaat de onvrijwillige handeling van het vasthouden van je neus. Dit komt doordat ze over het algemeen onaangename geuren hebben, waarvan sommige gaan lijken op die van rotte vis.
Bovendien hebben vloeibare amines de neiging gelige tinten te hebben, waardoor het visuele wantrouwen dat ze opwekken, toeneemt.
Oplosbaarheid in water
Aminen hebben de neiging onoplosbaar in water te zijn, omdat, hoewel het kunnen waterstofbindingen vormen met H 2 O, meerderjarig organische component hydrofoob. Hoe omvangrijker of langer de R-groepen zijn, hoe lager hun oplosbaarheid in water.
Wanneer er echter een zuur in het medium zit, wordt de oplosbaarheid verhoogd door de vorming van zogenaamde aminezouten. Daarin heeft stikstof een positieve gedeeltelijke lading, die elektrostatisch het anion of de geconjugeerde base van het zuur aantrekt.
In een verdunde oplossing van HCl reageert het amine RNH 2 bijvoorbeeld als volgt:
RNH 2 + HCl => RNH 3 + Cl - (primair aminezout)
RNH 2 was onoplosbaar (of enigszins oplosbaar) in water en vormt in aanwezigheid van het zuur een zout, waarvan het oplossen van de ionen de oplosbaarheid ervan bevordert.
Waarom gebeurt dit? Het antwoord ligt in een van de belangrijkste eigenschappen van amines: ze zijn polair en basisch. Omdat ze basisch zijn, zullen ze reageren met zuren die sterk genoeg zijn om ze te protoneren, volgens de definitie van Brönsted-Lowry.
Basiciteit
Aminen zijn sterkere organische basen dan ammoniak. Hoe hoger de elektronendichtheid rond het stikstofatoom, hoe basischer het zal zijn; dat wil zeggen, het zal de zuren in het milieu sneller deprotoneren. Als het amine erg basisch is, kan het zelfs het proton uit alcoholen halen.
De R-groepen dragen elektronendichtheid bij aan stikstof door inductief effect; aangezien we niet mogen vergeten dat het een van de meest elektronegatieve atomen is die er bestaan. Als deze groepen erg lang of omvangrijk zijn, zal het inductieve effect groter zijn, waardoor ook het negatieve gebied rond het elektronenpaar (··) toeneemt.
Dit zorgt ervoor dat (··) het H + -ion sneller accepteert . Als R echter erg omvangrijk is, neemt de basiciteit af door een sterisch effect. Waarom? Om de eenvoudige reden dat H + een configuratie van atomen moet passeren voordat het stikstof bereikt.
Een andere manier om over de basiciteit van een amine te redeneren, is door het aminezout ervan te stabiliseren. Nu kan degene die afneemt door een inductief effect de positieve lading N + verlagen , het zal een meer basisch amine zijn. De redenen zijn hetzelfde, zojuist uitgelegd.
Alkylamines versus arylamines
Alkylamines zijn veel basischer dan arylamines. Waarom? Om het eenvoudig te begrijpen, wordt de structuur van aniline getoond:
Aniline molecuul. Bron: Calvero. , via Wikimedia Commons
Boven, in de aminogroep, bevindt zich het elektronenpaar (··). Dit paar "over" in de ring op de ortho- en para-posities ten opzichte van NH 2 . Dit betekent dat de twee bovenste hoekpunten en die tegenover NH 2 negatief geladen zijn, terwijl het stikstofatoom positief geladen is.
Omdat de stikstof positief geladen is, + N, zal het het H + -ion afstoten . En alsof dit nog niet genoeg is, wordt het elektronenpaar binnen de aromatische ring gedelokaliseerd, waardoor het minder toegankelijk wordt voor deprotonering van zuren.
De basiciteit van aniline kan toenemen als groepen of atomen die het elektronische dichtheid geven, worden gekoppeld aan de ring, concurreren met het paar (··) en het dwingen om met grotere waarschijnlijkheid op het stikstofatoom te worden gelokaliseerd, klaar om als basis te fungeren.
Typen (primair, secundair, tertiair)
Soorten aminen. Bron: Jü via Wikipedia.
Hoewel niet formeel gepresenteerd, is er impliciet verwezen naar primaire, secundaire en tertiaire aminen (bovenste afbeelding, van links naar rechts).
De primaire aminen (RNH 2 ) mono-gesubstitueerd; de secundaire doelstellingen (R 2 NH) worden digesubstitueerd met twee R alkyl- of arylgroepen; en de tertiaire (R 3 N), zijn trigesubstitueerd en er ontbreekt waterstof.
Alle bestaande aminen zijn afgeleid van deze drie typen, dus hun diversiteit en interacties met de biologische en neuronale matrix zijn enorm.
In het algemeen kan worden verwacht dat tertiaire aminen de meest basale zijn; een dergelijke bewering kan echter niet worden gemaakt zonder de structuren van R.
Opleiding
Ammoniak-alkylering
In eerste instantie werd vermeld dat aminen zijn afgeleid van ammoniak; daarom is de eenvoudigste manier om ze te vormen door alkylering. Om dit te doen, wordt een overmaat ammoniak omgezet met een alkylhalogenide, gevolgd door de toevoeging van een base om het aminezout te neutraliseren:
NH 3 + RX => RNH 3 + X - => RNH 2
Merk op dat deze stappen leiden tot een primair amine. Er kunnen ook secundaire en zelfs tertiaire aminen worden gevormd, waardoor de opbrengst voor een enkel product afneemt.
Sommige trainingsmethoden, zoals de Gabriel-synthese, maken het mogelijk om primaire aminen te verkrijgen, zodat er geen andere ongewenste producten worden gevormd.
Ook kunnen ketonen en aldehyden worden gereduceerd in aanwezigheid van ammoniak en primaire aminen, waardoor secundaire en tertiaire aminen ontstaan.
Katalytische hydrogenering
Nitroverbindingen kunnen worden gereduceerd in aanwezigheid van waterstof en een katalysator tot hun overeenkomstige aminen.
ArNO 2 => ArNH 2
De nitrilen, RC≡N, en de amiden, RCONR 2 , worden ook gereduceerd tot respectievelijk primaire en tertiaire aminen.
Nomenclatuur
Hoe worden amines genoemd? Meestal worden ze genoemd op basis van R, de alkyl- of arylgroep. Aan de naam van R, afgeleid van zijn alkaan, wordt aan het einde het woord 'amine' toegevoegd.
Dus CH 3 CH 2 CH 2 NH 2 is propylamine. Aan de andere kant kan het worden genoemd als alleen het alkaan wordt beschouwd en niet als een R-groep: propanamine.
De eerste manier om ze te benoemen is verreweg de bekendste en meest gebruikte.
Als er twee NH 2 -groepen , wordt het alkaan genoemd en de posities van de aminogroepen weergegeven. Zo wordt H 2 NCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 genoemd: 1,4-butaandiamine.
Als er zuurstofrijke groepen zijn, zoals OH, moet deze voorrang krijgen op NH 2 , dat toevallig als substituent wordt genoemd. HOCH 2 CH 2 CH 2 NH 2 wordt bijvoorbeeld 3-Aminopropanol genoemd.
En met betrekking tot de secundaire en tertiaire aminen, worden de letters N gebruikt om de groepen R aan te duiden. De langste ketting blijft bij de naam van de verbinding. Zo wordt CH 3 NHCH 2 CH 3 genoemd: N-Methylethylamine.
Toepassingen
Kleurstoffen
Primaire aromatische aminen kunnen dienen als uitgangsmateriaal voor azo-kleurstofsynthese. Aanvankelijk reageren de aminen om diazoniumzouten te vormen, die de azoverbindingen vormen door azokoppeling (of diazokoppeling).
Deze worden vanwege hun intense kleur in de textielindustrie gebruikt als verfmateriaal; bijvoorbeeld: methyloranje, direct bruin 138, zonnegeel FCF en ponceau.
Drugs en drugs
Veel medicijnen werken met agonisten en antagonisten van natuurlijke amine-neurotransmitters. Voorbeelden:
-Chloorfeniramine is een antihistaminicum dat wordt gebruikt bij de beheersing van allergische processen als gevolg van de opname van bepaalde voedingsmiddelen, hooikoorts, insectenbeten, enz.
-Chlorpromazine is een kalmerend middel, geen slaapopwekker. Het verlicht angstgevoelens en wordt zelfs gebruikt bij de behandeling van sommige psychische stoornissen.
-Efedrine en fenylefedrine worden gebruikt als decongestiva voor de luchtwegen.
-Amitriptyline en imipramine zijn tertiaire aminen die worden gebruikt bij de behandeling van depressie. Vanwege hun structuur worden ze geclassificeerd als tricyclische antidepressiva.
-Opioïde pijnstillers zoals morfine, codeline en heroïne zijn tertiaire aminen.
Gasbehandeling
Verschillende aminen, waaronder diglycolamine (DGA) en diethanolamine (DEA), worden gebruikt bij de verwijdering van kooldioxide (CO 2 ) en waterstofsulfide (H 2 S) gassen aanwezig in aardgas en in raffinaderijen.
Landbouwchemie
Methylamines zijn tussenproducten bij de synthese van chemicaliën die in de landbouw worden gebruikt als herbiciden, fungiciden, insecticiden en biociden.
Hars fabricage
Methylamines worden gebruikt bij de productie van ionenuitwisselingsharsen, bruikbaar bij de deïonisatie van water.
Dierlijke voedingsstoffen
Trimethylamine (TMA) wordt voornamelijk gebruikt bij de productie van cholinechloride, een vitamine B-supplement dat wordt gebruikt in het voer van kippen, kalkoenen en varkens.
Rubberindustrie
Dimethylamine-oleaat (DMA) is een emulgator voor gebruik bij de productie van synthetisch rubber. DMA wordt direct gebruikt als polymerisatiemodificator in de dampfase van butadieen, en als stabilisator voor natuurlijke rubberlatex in plaats van ammoniak
Oplosmiddelen
Dimethylamine (DMA) en monomethylamine (MMA) worden gebruikt om de polaire aprotische oplosmiddelen dimethylformamide (DMF), dimethylaceetamide (DMAc) en n-methylpyrrolidon (NMP) te synthetiseren.
Toepassingen voor DMF zijn onder meer: urethaancoating, acrylgarenoplosmiddel, reactieoplosmiddelen en extractieoplosmiddelen.
DMAc wordt gebruikt bij de vervaardiging van garenkleurstoffen en oplosmiddelen. Ten slotte wordt NMP gebruikt bij de raffinage van smeeroliën, verfafbijtmiddel en emailcoating.
Voorbeelden
Cocaïne
Cocaïne molecuul. Bron: NEUROtiker, via Wikimedia Commons
Cocaïne wordt gebruikt als plaatselijke verdoving bij bepaalde soorten oog-, oor- en keeloperaties. Zoals te zien is het een tertiair amine.
Nicotine
Nicotine molecuul. Bron: Jü, van Wikimedia Commons
Nicotine is het belangrijkste middel van tabaksverslaving en chemisch gezien is het een tertiair amine. De nicotine in tabaksrook wordt snel opgenomen en is zeer giftig.
Morfine
Morfine molecuul. Bron: NEUROtiker, van Wikimedia Commons
Het is een van de meest effectieve pijnstillers om pijn te verlichten, vooral kanker. Het is wederom een tertiair amine.
Serotonine
Serotonine molecuul. Bron: Harbin, van Wikimedia Commons
Serotonine is een amine-neurotransmitter. Bij depressieve patiënten is de concentratie van de belangrijkste metaboliet van serotonine verlaagd. In tegenstelling tot de andere aminen, is deze primair.
Referenties
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10 e editie.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
- Morrison en Boyd. (1987). Organische chemie. (Vijfde editie). Addison-Wesley Iberoamericana.
- The Chemours Company. (2018). Methylamines: gebruik en toepassingen. Hersteld van: chemours.com
- Transparantie Marktonderzoek. (sf). Amines: belangrijke feiten en toepassingen. Hersteld van: transparentmarketresearch.com
- Wikipedia. (2019). Amine. Hersteld van: en.wikipedia.org
- Ganong, WF (2003). Medische fysiologie. 19e editie. Redactioneel El Manual Moderno.