Właściwości chemiczne amin

A M I N Y
Aleksander Kołodziejczyk luty 2007.
Aminy są to organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru zostało
zastąpionych resztami organicznymi.
.. .. .. ..
R''' -
N
N
N
N
X
H H R H R H R R''
N
+
H
H
R'
R'
R R''
amoniak aminy 1
R'
o aminy 2o aminy 3o 4o sole amoniowe
(pierwszorzędowe) (drugorzędowe) (trzeciorzędowe) (czwartorzędowe)
R, R’, R’’,R’’’: alkil lub aryl
Warto zwrócić uwagę, że w alkoholach rzędowość dotyczyła atomu węgla, z którym związana
była grupa -OH, natomiast w aminach rzędowość odnosi się do liczby reszt organicznych
związanych z atomem azotu.
Budowa grupy aminowej
Atom azotu w aminach ma hybrydyzację sp 3 , przy czym trzy orbitale tworzą trzy wiązania σ z
atomami wodoru lub/i atomami węgla grup R, a na czwartym orbitalu znajduje się wolna para
elektronowa. W trimetyloaminie kąt między wiązaniami C-N-C wynosi 108 o , jest więc zbliżony
do kąta tetraedrycznego bardziej niż w amoniaku. Długość wiązania C−N osiąga 1,47 Å.
N
H
H
H
N 1,47 A
H C 3 CH3
H C 3
N
R
R'
R''
o
..
..
3o , a nawet 2o ..
amoniak trimetyloamina
aminy mogą
być chiralne
107 o
108 o
Konsekwencją tetraedrycznej budowy amin 3 o jest ich chiralność w przypadku występowania
trzech różnych podstawników związanych z atomem azotu; czwartym podstawnikiem jest wolna
para elektronowa. Jednak niska bariera energetyczna przejścia jednego enancjomeru w drugi
uniemożliwia ich rozdzielenie. Energia ta wynosi około 25 kJ/mol (6 kcal/mol), jest więc
wielkością niewiele większą od energii potrzebnej do pokonania bariery obrotu wokół
pojedynczego wiązania. Z tego powodu w temperaturze pokojowej i znacznie poniżej niej,
wzajemna przemiana enancjomerów jest bardzo szybka. Stanem pośrednim pomiędzy jedną, a
drugą formą enancjomeryczną jest płaski atom azotu o hybrydyzacji sp 2 .
orbital sp
R
R
R' N : : N R'
3 orbital sp3 R''
sp 3 sp 3
:
orbital p
R R'
N
R''
sp 2
R''
przemiana jednego
enancjomeru aminy 3 o
w drugi enancjomer,
czyli tzw. racemizacja
jest bardzo szybka
Trwałe natomiast są enancjomery 4 o soli amoniowych. Udało się, np. rozdzielić na enancjomery
racemiczny chlorek N-etylo-N-metylo-N-propylobenzyloamoniowy.
1

C
H 3
CH CH CH 2 2 3
N
+
CH CH 2 3
CH 2
-
Cl
chlorek
N-etylo-N-metylo-
-N-propylobenzyloamoniowy
Zadanie: oznacz konfigurację obu enancjomerów chlorku N-etylo-N-metylo-N-propylobenzyloamoniowego.
Trwałe są także enenacjomery amin trzeciorzędowych, których konfiguracja jest zamrożona, np.
poprzez wbudowanie atomu azotu w pierścień:
C
H 3
C
H 3
N
.
CH 3
.
.
C
H 3
N
CH3 CH3 (R)-1,2,2-trimetyloazirydyna (S)-1,2,2-trimetyloazirydyna
Występowanie
Metyloamina występuje w niewielkich ilościach w wielu roślinach, znajduje się także w
produktach pirolizy drewna. Trimetyloamina wydziela się w trakcie rozkładu ryb i nadaje bardzo
nieprzyjemny zapach psującym się rybom; jest też składnikiem odchodów ryb.
Aminy jako produkty rozkładu aminokwasów wchodzących w skład białek są substancjami
powszechnymi w naturze. Jako tzw. aminy biogenne powstają w wyniku dekarboksylacji
aminokwasów. Często są to bardzo toksyczne substancje o silnym działaniu fizjologicznym.
Należą do nich: putrescyna (powstaje z ornityny), kadaweryna (z lizyny), tyramina (z tyrozyny),
histamina (z histydyny) i tryptamina (z tryptofanu).
NH NH 2 2 NH NH 2 2
ornityna putrescyna
HO
Rys. 10.1 Aminy biogenne
CH 2 CH 2 CH 2 CHCOOH - CO 2
CH 2 CH 2 NH 2
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2
CH 2 CH 2 NH 2
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2
NH 2
kadaweryna
CH 2 CH 2 NH 2
NH 2
tyramina N histamina N tryptamina
H
H
Do amin zalicza się znane neurotransmitery, tzw. katecholoaminy:
HO
OH
OH
C
H
CH 2 NHCH 3
eadrenalina
(epinefryna)
HO
OH
OH
C
H
CH 2 NH 2
noradrenalina
OH
OH
CH 2
CH 2 NH 2
dopamina
Dużą grupę amin naturalnych stanowią alkaloidy. Nazwa ta wywodzi się od słowa arabskiego
al-kali = potaż i od greckiego eidos = postać, co oznacza zasadopodobny. Do alkaloidów należy
grupa kilkunastu tysięcy odkrytych do chwili obecnej związków pochodzenia głównie
roślinnego, rzadziej zwierzęcego; mogą być też alkaloidy syntetyczne. Wszystkie one zawierają
2

zasadowy atom azotu, najczęściej w postaci pierścienia heterocyklicznego. Znane są też
alkaloidy z alifatyczną grupą aminową, zwane czasami protoalkaloidami (pseudoalkaloidami).
W produktach naturalnym alkaloidy i większość innych amin występują w postaci soli.
HO
CH3NH CH3O H
H
CH3 CH3O CH3O CH2 CH2NH2 N
H CH2CH2CH C
C
efedryna
meskalina
3
koniina
OMe
CN
N O
CH3 rycynina N
CH3 N
nikotyna
NCH3 COOCH3 OCOPh
kokaina
Rys. 10.2 Przykłady znanych alkaloidów; niektóre z nich są narkotykami
Alkaloidy wykazują zwykle silnie działanie fizjologiczne od stymulującego, poprzez
narkotyczne do silnie toksycznego. Do alkaloidów nie są zaliczane aminokwasy, peptydy,
białka i proste aminy alifatyczne nawet, jeżeli posiadają takie właściwości.
Niektóre alkaloidy mają mocno rozbudowane cząsteczki.
HO
N
HO
N
N
CH O
O
N
3 N
H
H
H
CH H
N
H 3
chinina HO
morfina H COOC
3
Rys. 10.3 Przykłady alkaloidów o rozbudowanych cząsteczkach
H
OH johimbina
H
N H
H
O H
O
strychnina
Do alkaloidów zaliczają się tak powszechnie znane związki, jak kofeina, teofilina i teobromina.
C
H 3
O
N
O
N
CH 3
N
N
CH 3
HN
O
O
N
CH 3
N
N
CH 3
C
H 3
O
N
O
N
CH 3
kofeina teofilina teobromina
Nomenklatura
Dla wielu amin, jak widać na przykładach podanych powyżej, stosowane są nazwy zwyczajowe.
Również wiele amin syntetycznych ma nazwy zwyczajowe, np. anilina, toluidyna, amfetamina i
inne.
1. aminy 1 o . Systematycznie można nazywać je czterema sposobami:
1.1 Słowo -amina poprzedza się nazwą reszty alkilowej lub arylowej przyłączonej do atomu
azotu, np. metyloamina, etyloamina, fenyloamina, benzyloamina itp.;
1.2 Słowo -amina poprzedza się nazwą macierzystego wodorku (alkanu lub arenu), np.
metanoamina, etanoamina, benzenoamina, toluenoamina itp.;
1.3 Nazwę alkilu lub arylu połączonego z atomem azotu dodaje się do słowa -azan, np.
metyloazan, etyloazan, fenyloazan, benzyloazan.
1.4 Sposób przedrostkowy
Przedrostek amino- dodaje się do rdzenia nazwy (nazwy wodorku macierzystego), np.
aminometan, aminobenzen.
N
N
3

Przykłady:
CH 3 NH 2
CH 3 CH 2
NH 2
NH 2
CH 2 NH 2
1.1 metyloamina etyloamina fenyloamina (anilina) benzyloamina
1.2 metanoamina etanoamina benzenoamina toluenoamina
1.3 metyloazan etyloazan fenyloazan benzyloazan
1.4. aminometan aminoetan aminobenzen aminotoluen
Sposobu przedrostkowego używa się najczęściej wówczas, kiedy grupa aminowa nie jest grupą
główną, np. 4-aminobutan-2-on czy podane niżej związki.
O kwas 4-aminobutanowy
kwas 4-aminobenzoesowy
H N
H N COOH 2 OH (kwas γ-aminomasłowy) 2 (kwas p-aminobenzoesowy) H N 2
2. Symetryczne aminy 2 o i 3 o można nazywać dwoma sposobami:
OH
2-aminoetanol
(etanoloamina)
2.1 Do słowa -amina dodając poprzedzoną przedrostkiem di- lub tri-nazwę alkilu lub arylu,
związanego z atomem azotu;
2.2 Do rdzenia -azan dodając poprzedzoną przedrostkiem di- lub tri- nazwę alkilu lub arylu,
związanego z atomem azotu.
Przykłady:
(CH dietyloamina
3CH2 ) 2NH 2.1
[(CH3 )CH] 2NH 2.2 dietyloazan
2.1
2.2
diizopropyloamina
dipropyloazan
NH
2.1
2.2
didifenyloamina
difenyloazan
3. Niesymetryczne aminy 2 o i 3 o o wzorach NHRR’, NR2R’ i NRR’R’’, można nazywać trzema
sposobami:
3.1 Jako pochodne amin 1 o . Do nazwy aminy 1 o dodaje się nazwę dodatkowej reszty alkilowej
lub arylowej, np. N-etylobutyloamina;
3.2 Sposób azanowy. Do słowa -azan dodaje się (w nawiasach, jeżeli trzeba) nazwę grup
alkilowych lub arylowych związanych z atomem azotu;
3.3 Sposób grupowy. Nazwa rdzenia -amina poprzedzona jest nazwami wszystkich
podstawników ułożonych alfabetycznie.
Przykłady:
ClCH2CH2NHCH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2NCH2CH3 3.1 N-(2-chloroetylo)propyloamina N-etylo-N-metylobutyloamina
CH 3
N-(2-chloroetylo)propano-1-amina N-etylo-N-metylobutano-1-amina
3.2 (2-chloroetylo)(propylo)azan butylo(etylo)metyloazan
3.3 (2-chloroetylo)(propylo)amina butylo(etylo)metyloamina
Jeżeli zachodzi potrzeba to literką -N- (pisaną kursywą) lub odpowiednimi lokantami zaznacza
się, czy dana reszta przyłączona jest do atomu azotu, czy też do atomu węgla.
4

NHCH 3
CH 3
3,N-dimetylocykloheksyloamina
CH 3
(CH3 ) 2N-CH2CH2CHCH2CH3 N,N-dimetylo-(3-metylopentylo)amina
N(CH 3 ) 2
CH 2 CH 3
4-etylo-N,N-dimetyloanilina
Aminy aromatyczne
Wiele amin aromatycznych znanych jest pod nazwami zwyczajowymi. Warto oswoić się z tymi
nazwami.
NH 2
NH 2
CH 3
H2N NH N 2
H
NH 2
NH 2
CH 2 NH 2
anilina p-toluidyna 1-naftyloamina 2-naftyloamina benzyloamina p-fenylenodiamina
benzydyna difenyloamina
O N 2 N NO2 H
4,4'-dinitrodifenyloamina
(p,p'-dinitrodifenyloamina)
NH 2
NH 2
NH 2
NO 2
NO 2 2,4-dinitroanilina
Aminy cykliczne
Aminy cykliczne najlepiej nazywać sposobem zamiennym – atom azotu liczy się jako atom
węgla, dodaje się jednak przedrostek –aza dla odróżnienia.
H 3
C
N
CH 3
1,4-dimetylo-1azacyklooktan
Wiele amin cyklicznych zawierających odpowiednio ułożone (sprzężone) wiązania podwójne ma
charakter związków aromatycznych zostanie omówione w specjalnym dziale – heterocykle
aromatyczne. Przykładem takich amin są, np. pirol i pirydyna. Uwodornione uzyskują
właściwości typowych amin alifatycznych, które często noszą nazwę zwyczajową wywodząca
się od heterocykli aromatycznych.
N
H
[H]
pirol N pirolidyna
H
Otrzymywanie i zastosowanie
N
pirydyna
[H]
N H
piperydyna
1. Alkilowanie amoniaku
Wydawać by się mogło, że alkilowanie amoniaku (amonoliza halogenków alkilowych) powinno
być najprostszą i najłatwiejszą metodą otrzymywania amin. Faktycznie działanie halogenkami
alkilowymi lub innymi odczynnikami alkilującymi na amoniak prowadzi do amin, jednak
powstaje trudna do rozdzielenia mieszanina produktów, ponieważ reakcja nie zatrzymuje się na
aminach 1 o , ale biegnie dalej i pojawiają się aminy 2 o , 3 o , a nawet 4 o sole amoniowe. Przyczyną
tego zjawiska jest wzrost nukleofilowości amin w wyniku dołączania kolejnych grup alkilowych
– reszty alkilowe mają efekt +I.
5

W reakcji amoniaku z halogenkiem alkilowym powstaje halogenek alkiloamoniowy (sól), z
którego pod wpływem nadmiaru amoniaku zostaje uwolniona amina 1 o . Z tego powodu w reakcji
stosuje się dwukrotny nadmiar amoniaku, albo prowadzi się ją wobec zasady wiążącej
wydzielający się halogenowodór. W praktyce do alkilowania stosuje się chlorki, bromki i jodki
alkilowe, a także estry niektórych kwasów, jak siarczany, tosylany czy fosforany.
..
+ -
..
δ δ + - NH ..
3
H C Cl H C NH H C
3 3 3
3 NH NH3 +
Cl
2
- NH4Cl amoniak chlorek metylu chlorek metyloamoniowy metyloamina (amina 1 o )
Metyloamina jest reaktywniejsza od amoniaku i dlatego ulega dalszemu alkilowaniu do
dimetyloaminy. Początkowo szybkość tworzenia dimetyloaminy jest mała, ponieważ w pierwszej
fazie reakcji stężenie metyloaminy jest niskie.
..
H3C NH2 +
C
H 3
Cl
+
(CH 3 ) 2 NH 2
- NH4Cl metyloamina chlorek metylu chlorek dimetyloamoniowy dimetyloamina (amina 2 o )
-
Cl
..
NH3 ..
(CH 3 ) 2 NH
Wydajność dimetyloaminy można zmniejszyć stosując duży, np. dziesięciokrotny nadmiar
amoniaku. W takim przypadku zgodnie z zasadami kinetyki reakcja odczynnika alkilującego z
amoniakiem będzie uprzywilejowana, ze względu na nadmiar amoniaku.
W kolejnym etapie tworzy się amina 3 o , po czym powstaje 4 o sól amoniowa.
..
+ -
NH3 ..
(CH + C Cl
Cl
3 ) 2NH (CH3 ) 3NH (CH3 ) 3N H3 - NH4Cl dietyloamina chlorek metylu chlorek trimetyloamoniowy trimetyloamina (amina 3 o )
Stosując duży nadmiar odczynnika alkilującego można sprawić, że głównym produktem reakcji
będzie 4 o sól amoniowa.
H C 3
..
N
C
+
CH3 H 3
H C Cl 3 N + -
H C Cl
3 CH3 C
H 3
CH 3
trimetyloamina chlorek metylu chlorek tetrametyloamoniowy (4 o sól amoniowa)
Amoniak w zasadzie nie ulega reakcji arylowania pod wpływem halogenków arylu. Jest
możliwość jej przeprowadzenia w bardzo drastycznych warunkach lub w pochodnych
uaktywnionych obecnością w pierścieniu podstawników silnie wyciągających elektrony, najlepiej
grupy -NO2.
3 o Halogenki alkilowe pod wpływem amoniaku (zasady) ulegają reakcji eliminacji (wydziela się
halogenowodór), a więc ten sposób nie nadaje do otrzymywania amin zawierających grupę NH2
przy 3 o atomie węgla.
C
H 3
bromek t-butylu
CH3 C CH3 Br
NH 3
C
H 3
CH3 CH2 ..
C + NH 4 Br
izobuten
Amoniak można alkilować nawet tak słabymi odczynnikami alkilującymi jak metanol. Reakcja
biegnie, co prawda wolno, ale trzeba o takiej możliwości pamiętać używając jako odczynnika
6

oztwór amoniaku w metanolu. Taki roztwór powinien być zawsze świeżo sporządzany,
ponieważ już kilku dniach pojawia się w nim znacząca ilość metyloaminy.
CH3OH + NH3 CH3NH2 + HOH
metanol amoniak metyloamina
Oceniając alkilowanie amoniaku, jako metodę otrzymywania amin można stwierdzić, że nadaje
się ona do otrzymywania alifatycznych amin 1 o (z grupą aminową najlepiej przy 1 o atomie
węgla), jeżeli zastosuje się znaczący nadmiar amoniaku i do wytwarzania 4 o soli amoniowych,
jeżeli użyje się nadmiaru środka alkilującego. Wyczerpujące metylowanie prowadzi się między
innymi, żeby przygotować substrat do eliminacji Hofmanna.
CH 3 (CH 2 ) 3 CH 2 CH 2 NH 2
+
CH
+
-
3 (CH2 ) 3CH2CH2N(Me) 3 I
MeI Ag 2 O
+ -
CH3 (CH2 ) 3CH2CH2N(Me) 3 OH
- Me 3 N
∆,
- HOH
CH 3 (CH 2 ) 3 CH=CH 2
heksyloamina heks-1-en
wodorotlenek trimetyloheksyloamoniowy
Tym sposobem otrzymuje się też z powodzeniem dialkilowaną anilinę, ponieważ reszta
fenylowa obniża aktywność nukleofilową grupy aminowej i wprowadzenie trzeciej grupy
metylowej biegnie z niższą wydajnością.
NH2 N(CH3 ) 2
+ 2 (CH3O) 3PO NaOH
anilina fosforan trimetylu N,N-dimetyloanilina (76%)
2. Synteza Gabriela
Problem polialkilowania amoniaku rozwiązuje synteza opracowana przez Gabriela.
Zaproponował on alkilowanie ftalimidku potasu.
Sieggmund Gabriel (1851-1924); ur. w Berlinie; doktorat na Uniw. w Berlinie (1874); prof. Uniwersytetu w
Berlinie.
Ftalimid, który otrzymuje się łatwo w reakcji bezwodnika ftalowego i amoniaku (wydajność
96%) zawiera tylko jeden atom wodoru przy atomie azotu i na dodatek znacznie kwaśniejszy niż
w aminach, a przez to bardziej podatny na alkilowanie. Hydroliza, jeszcze lepiej hydrazynoliza
N-alkiloftalimidu prowadzi do czystej aminy 1 o .
O
O
O
NH 3 stęż.
O
NH
bezwodnik ftalowy ftalimid (98%)
O
KOH
O
NK
O
ftalimidek
potasu
CH 2 CH 2 Br
bromek
2-fenyloetylu
O
NCH 2 CH 2
O
N-(2-fenyloetylo)ftalimid
-
O
O
NH 2 NH 2
NH
ftalazyna
NH
CH 2 CH 2 NH 2
(92%) w stosunku
do ftalimidu
fenyloetyloamina
Kwasowa hydroliza podstawionego ftalimidu biegnie wolno, nawet w podwyższonej
temperaturze. Natomiast hydrazynoliza podstawionego ftalimidu jest reakcją szybką, a produkt
– aminę 1 o – otrzymuję się z dużą wydajnością i wysoką czystością. Istotną wadą syntezy
Gabriela jest jej niska wydajność atomowa, co oznacza, że używa się surowców pośrednich
(tutaj ftalimid i hyrazyna) i powstają produkty towarzyszące (w tej reakcji ftalazyna), o dużej
masie cząsteczkowej. Produkty towarzyszące stanowią odpad.
7

3. Redukcyjne aminowanie
Aldehydy i ketony redukowane katalitycznie wodorem w obecności amoniaku, amin 1 o lub 2 o
ulegają przekształceniu w odpowiednie aminy. Pośrednio tworzą się iminy, które znacznie
łatwiej ulegają redukcji katalitycznej niż związki karbonylowe.
R
O
C
+
R'
związek
karbonylowy
:NH 3
: NH
C
R R'
imina
H 2 /Ni
:
NH 2
C
R R'
amina 1 o
Użycie w reakcji amin 1 o lub amin 2 o prowadzi odpowiednio do amin 2 o lub amin 3 o .
CHO
W ten sposób produkuje się amfetaminę.
NH3 /H 2 /Ni
CH 2 NH 2
benzaldehyd benzyloamina
O
CH 2 CCH 3
NH 3 /H 2 /Ni
1-fenylopropan-2-on amfetamina
:
NH 2
CH 2 CCH 3
Reduktorem najczęściej stosowanym w laboratorium do redukującego aminowania jest
cyjanotrihydroboran sodu – NaBH3CN. Jak nietrudno domyślić się jest to pochodna
tetrahydroboranu sodu, odczynnika z wyboru w redukcji związków karbonylowych. W
przemyśle wodorki są rzadko wykorzystywane, ze względu na ich wysoką cenę, szczególnie
drogie są wodorki modyfikowane, takie jak NaBH3CN czy DIBAH. Wydajności atomowe z ich
udziałem są nadzwyczaj niskie.
..
O
..
+ NH(CH 3 ) 2
NaBH 3 CN
N(CH 3 ) 2
CH3OH cykloheksanon dimetyloamina N,N-dimetylocykloheksyloamina (85%)
Cyjanotrihydroboran sodu umożliwia redukcję w środowisku umiarkowanie kwaśnym, przy pH
= 2-3. W tych warunkach równowaga reakcji związek karbonylowy – imina przesunięta jest na
prawo, co ułatwia redukcyjne aminowanie związków karbonylowych.
O
C + RNH 2
NR NHR
H
związek karbonylowy amina 1 o imina amina
C
NaBH 3 CN
W redukcyjnym aminowaniu otrzymuje się aminy o jeden rząd wyższe w porównaniu do
rzędowości aminy użytej w reakcji.
MeOH
C
8

NH 3
NH 2
O
C
R' R''
H 2 /kat.
RNH 2
NHR
NR 2
R 2 NH
R'
C
R'' R'
C
R''
R'
C
R''
amina 1 o amina 2 o amina 3 o
Substratami w redukcyjnym aminowaniu mogą być alkohole, szczególnie 2 o , które łatwo
utleniają się do ketonów. Warto zwrócić uwagę, że przekształcenie alkoholi 2 o w halogenki i
poddanie ich działaniu NH3 prowadzi do eliminacji, a nie substytucji.
OH
cykloheksanol
K 2 CrO 4 /
H 2 SO 4
PBr 3
O
Br
NH 3 /H 2 /Ni
NH 3
NH 2
cykloheksanon cykloheksyloamina
bromek cykloheksylu cykloheksen
Z alkoholi, w zależności od wybranej metody, można otrzymać różne aminy: o tej samej
długości łańcucha węglowego, o skróconym bądź wydłużonym łańcuchu.
R
R
R
KMnO 4
O
O
C R-CH2-Br R-CH2-Br R C
OH
H
SOCl 2
O
C
Cl
NH 3
O
C
NH 2
- OBr
R-NH 2
NH 3
PBr 3
R-CH 2 -OH
lub
ftalimidek
potasu
R-CH 2 -NH 2
taka sama
liczba atomów C
jak w substracie
mniej o jeden
atom C niż
w substracie
PBr 3
K 2 Cr 2 O 7
NaCN NH 3 H 2 /Ni
R-CH 2 -CN
[H]
R-(CH 2 ) 2 -NH 2
więcej o jeden
atom C niż
w substracie
R-CH 2 -NH 2
taka sama
liczba atomów C
jak w substracie
3. Przegrupowanie Hofmanna i Curtiusa
W przegrupowaniu Hofmanna amidy, a w przegrupowaniu Curtiusa azydki są
przeprowadzane w aminy 1 o , zawierające jeden atom węgla mniej niż związki wyjściowe.
9

August Wilhelm von Hofmann (1818-1892); ur. w Giessen, Niemcy; prof. w Bonn, w Royal College of Chemistry
w Londynie i na Uniw. w Berlinie.
Theodor Curtius (1857-1928); ur. w Duisbergu, Niemcy; doktorat w Lipsku, prof. na uniwersytetach w Kolonii,
Bonn i Heidelbergu.
Amidy pod wpływem bromu w zasadowym środowisku ulegają reakcji przegrupowania
Hofmanna, polegającej na przekształceniu ich w izocyjaniany, które następnie hydrolizują do
amin, wydziela się przy tym CO2. Mechanizm tej reakcji jest przedstawiony w rozdziale
AMIDY.
O
Przykład:
Br 2 /NaOH
C
R-NH
R NH HOH
2 + CO2 2
amid amina 1 o
O
NaOH
CONH 2
1. Br 2 /NaOH
NH 2
NH
O
HOH COONa 2. H COOH
+ /HOH
ftalimid monoamid kwasu ftalowego kwas antranilowy (62%)
Azydki acylowe, substraty w reakcji przegrupowania Curtiusa, są otrzymywane z chlorków
kwasowych pod działaniem azydku sodu. W podwyższonej temperaturze reszta organiczna -R w
azydkach acylowych przegrupowuje się z C→N, przy czym powstają izocyjaniany alkilowe, a te
z kolei wydzielając CO2 rozkładają się do amin 1 o .
O O
NaN ∆
3
O N R
C C .. - +
C
R-NH2 - N
R Cl R 2
N.. N N
- CO2 chlorek acylu azydek acylu izocyjanian alkilu amina 1 o
Przegrupowanie Curtiusa jest wykorzystywane zarówno w syntezach laboratoryjnych, jak i w
przemyśle. Służy, między innymi do produkcji przeciwdepresyjnego leku – tranylocyprominy.
H COCl
H NH
1. NaN3 ; 2. ∆
2
H
H
3. HOH
chlorek trans-2-fenylocyklopropanokarbonylu tranylocypromina
4. Redukcja nitrozwiązków, azydków, nitryli i oksymów
Nitrozwiązki, zarówno alifatyczne, jak i aromatyczne można redukować do amin 1 o .
Aromatyczne nitrozwiązki otrzymuje się stosunkowo łatwo poprzez nitrowanie arenów
mieszaniną nitrującą (HNO3/H2SO4). Natomiast nitrozwiązki alifatyczne powstają w reakcji
alkilowania anionu azotynowego, który jest ambidentnym odczynnikiem nukleofilowym (tzn.
ma dwa centra reaktywne), dlatego produktem alkilowania anionu azotanowego bywa zwykle
mieszanina nitrozwiązków i estrów kwasu azotowego (III).
. .
.. .. -
.. - .. - .. .. .. - X O..
: O N O : O N O O N O N O N O
.. .. : .. : : .. :
..
R-X
O..
-
+
.. .. ..
R + R
- .. :
+ δ nitroalkan : azotyn alkilu
anion azotynowy
10

W przemyśle, nitroalkany otrzymuje się w reakcji bezpośredniego nitrowania alkanów kwasem
azotowym lub ditlenkiem azotu.
Do redukcji nitrozwiązków używa się wodoru wobec katalizatorów (Pt, Pd), niklu Raneya,
metali (Fe, Zn, Sn) w środowisku kwaśnym, wodorków (LiBH4, NaBH4), cykloheksenu wobec
Pd (przeniesienie wodoru), sodu lub litu w alkoholu i innych reduktorów.
Przykłady:
CH 3 (CH 2 ) 2 NO 2
nitropropan
NO 2
, Pd
- , -HOH
H2 /Ni Ra
CH3 (CH2 ) 2NH2 propyloamina
NH 2
Cl
Cl
o-chloronitrobenzen o-chloroanilina
kwas
m-nitrobenzoesowy
NO 2
COOH
NaBH 4
NH 2
COOH
(90%)
(55%)
kwas (52%)
m-aminobenzoesowy
Redukcja nitrobenzenu żelazem w środowisku kwasu solnego, zwana metodą Béchampa, była
dawniej główną przemysłową metodą otrzymywania aniliny. Obecnie ze względu na duże ilości
produktów ubocznych powstających w reakcji (zanieczyszczonych tlenków żelaza) jest
wypierana przez uwodornienie katalityczne. Niemniej stosuje się ją jeszcze w laboratoriach,
obok redukcji cynkiem czy cyną. Kwas solny dodawany jest jedynie w ilościach katalitycznych
– do zapoczątkowania reakcji, tj. wytworzenia potrzebnego elektrolitu.
NO NH
2
2
+ 9 Fe + 4 HOH HCl
4 4 + 3 Fe3O4 nitrobenzen anilina (90%)
Najnowocześniejsza metoda produkcji aniliny polega na amonolizie fenolu – spełnia ona
wysokie wymagania ekologiczne, ponieważ jest bezodpadowa.
OH NH 2
kat. 425
+ NH3 + HOH
oC 20 MPa
fenol anilina
Aminy można otrzymywać z innych pochodnych azotowych, które syntezuje się stosunkowo
łatwo, w tym poprzez redukcję oksymów, azydków czy nitryli.
Przykłady:
NH 2
NOH
LiAlH4 CH3CH2C(CH2 ) 2CN CH3CH2C(CH2 ) 3NH2 oksym 4-oksoheksanonitrylu 4-aminoheksyloamina (62%)
Heksametylenodiaminę, ważny surowiec w produkcji włókien syntetycznych, otrzymuje się w
wyniku katalitycznego uwodornienia nitrylu kwasu adypinowego.
11

heksanodinitryl
N C(CH2 ) 4C N
H 2 /Cu/Co, NH 3
125 o C, 60 MPa
Azydki najczęściej redukuje się tetrahydroglinianem litu.
bromek
2-fenyloetylu
H 2 N(CH 2 ) 6 NH 2
CH 2 CH 2 Br CH 2 CH 2 N 3 CH 2 CH 2 NH 2
NaN 3
azydek
2-fenyloetylu
LiAlH 4
heksametylodiamina (92%)
2-fenyloetyloamina
5. Reakcja Rittera
Otrzymywanie amin zawierających grupę aminową przy 3 o atomie węgla, np. t-butyloaminę, jest
zadaniem trudnym. Jednym z nielicznych sposobów syntezy tego typu amin jest reakcja
Rittera, polegająca na działaniu na nitryle, w obecności silnego kwasu, 3 o alkoholami lub
innymi związkami (alkenami, pochodnymi allilowymi czy benzylowymi), zdolnymi do
generowania stabilnych karbokationów. Powstający karbokation reaguje z nitrylem tworząc
amid, a z niego po hydrolizie powstaje oczekiwany produkt.
C
H 3
CH 3
C OH
C C
CH 3
t-butanol
C
H 3
H +
CH 3
+
C
H 3
CH 3
CH3 CH2 izobuten
N.. C
kation t-butylowy
N
C
H 3
CH 3
C N.. C R
+
CH 3
..
HOH ..
C
H 3
CH 3
R
C N..
C H
O
CH +
3
H
Każdy amid można łatwo zhydrolizować do odpowiedniej aminy.
C
H 3
CH 3
- H
H3 +
C
CH3 R CH3 O
C N..
C
O
H C 3
C-NH-C-R ..
CH 3
O CH3 O
1. H
C NH C R H C NH 3
2
+ /HOH
+ -
C + Na O-C-R
CH 3
2. NaOH
t-butyloamina
CH 3
H
CH 3
amid podstawiony
resztą t-butylową
Właściwości fizyczne i fizjologiczne
Aminy o niskim ciężarze cząsteczkowym są gazami – o temperaturach wrzenia odpowiednio:
metyloamina – -6,7 o C, dimetyloamina – 7,3 o C, trimetyloamina – 2,9 o C, etyloamina – 16,6 o C.
Wyższe są cieczami, np. trietyloamina wrze w temp. 89 o C, a n-propyloamina, di-n-propyloamina,
n-butyloamina i t-butyloamina wrą odpowiednio w 49 o C, 109 o C, 77,9 o C i 45 o C. Są oczywiście i
stałe aminy, np. p-toluidyna topnieje w 45 o C, a naftyloaminy, α- w 50 o C i β- w 112 o C. Wyższe
temperatury wrzenia amin w porównaniu z alkanami, eterami, czy aldehydami wynikają z
możliwości tworzenia się wiązań wodorowych w aminach.
Wiązania wodorowe w aminach 1 o i 2 o
R R'
..
N
R
R'
.
H
H
H
R R'
.
R
R'
.
H
H . .
R'
. . R
.
R R'
. H .
N
N
N
N
N
12

Aminy gazowe, a nawet te niższe ciekłe, rozpuszczają się dobrze w wodzie, a ich rozpuszczaniu
towarzyszy wydzielanie się ciepła, podobnie jak podczas rozpuszczania amoniaku. Wraz ze
wzrostem masy cząsteczkowej amin zmniejsza się ilość wydzielanego ciepła. Zapach amin o
niskim ciężarze cząsteczkowym jest zbliżony do zapachu amoniaku, wyższe lotne aminy
zapachem przypominają psujące się ryby, jest on nieprzyjemny, wręcz odrażający. Nazwa
putrescyny (1,4-butanodiaminy) wywodzi od łacińskiego słowa putrescere, co znaczy gnić,
ponieważ ta amina wydziela się w trakcie rozkładu substancji białkowych. Mniej lotne aminy też
charakteryzują się też nieprzyjemnym zapachem, jednak jest on mniej intensywny.
Niskolotne aminy, podobnie jak amoniak, mają działanie duszące, a w zetknięciu ze skórą
powodują oparzenia. Aminy biogenne zwykle są bardzo toksyczne, niektóre z nich, także aminy
syntetyczne o zbliżonej budowie, wykazują właściwości narkotyczne, np.: fenyloetyloamina,
amfetamina, tyramina czy trypsamina.
Właściwości chemiczne
1. Zasadowość
Aminy są zasadami, przy czym aminy alifatyczne wykazują zwykle silniejsze właściwości
zasadowe od amoniaku, a aminy aromatyczne – słabsze. Ich zasadowość wynika z obecności
protonoakceptorowej wolnej pary elektronowej przy atomie azotu. W reakcji amin z kwasami
tworzą się sole amoniowe poprzez przyłączenie protonu do wolnej pary elektronów.
..
H
N
R
R'
R'' + H A
N +
R R''
R'
A -
amina
(zasada Lewisa) kwas sól amoniowa
Woda działa na aminy jak słaby kwas i ustala się równowaga pomiędzy zdysocjowaną i
niezdysocjowaną formą.
..
+ -
amina R NH H OH R NH 2 +
OH
3
woda jako kwas kation amoniowy
Na podstawie tego równania można zdefiniować stałą równowagi Kb, z której wyprowadza się
stałą zasadowości pKb:
K b =
+ -
[R-NH3 ] [ OH]
[R-NH 2 ]
pK b = -logK b
Im większą wartość ma Kb (równocześnie mniejszą wartość przyjmuje pKb), tym
mocniejsza jest zasada.
Podobne stałe używa się do określania kwasowości – Ka i pKa. Często zamiast Kb i pKb stosuje
się Ka i pKa, zarówno do porównywania mocy kwasów i zasad, gdyż są to wartości powiązane z
sobą, ponieważ kwasowość jonu amoniowego (RNH3 + ) świadczy o zasadowości aminy, z której
powstał:
Im większą wartość przyjmuje Kb (równocześnie mniejszą wartość osiąga pKb),
tym amina jest mocniejszą zasadą i odwrotnie.
13

Powyższe konkluzje można przedstawić na następującym schemacie:
niska wartość pK a kationu
amoniowego świadczy, iż
jest on mocnym kwasem i
R +
NH 3
oznacza, że
powstał on z
aminy, będącej
słabą zasadą
.. +
+ HOH R + H/HOH
wysoka wartość pK a kationu
amoniowego świadczy, iż
jest on słabym kwasem i oznacza, że
NH 2
powstał on z aminy,
będącej mocną zasadą
Warto pamiętać, że pKa + pKb = 14
Zasadowość wybranych amin Tabela 10.1
Nazwa Wzór pKb pKa
amoniak NH3 4,74 9,26
aminy alifatyczne 1 o
metyloamina CH3NH2 3,36 10,64
etyloamina CH3CH2NH2 3,36 10,64
n-propyloamina CH3CH2CH2NH2 3,32 10,68
aminy alifatyczne 2 o
dimetyloamina (CH3)2NH 3,27 10,73
dietyloamina (CH3CH2)2NH 3.51 10,49
di-n-propyloamina (CH3CH2CH2)2NH 3,00 11,00
pirolidyna
NH
2,73 11,27
aminy alifatyczne 3 o
trimetyloamina (CH3)3N 4,19 9,81
trietyloamina (CH3CH2)3N 2.99 11.01
tri-n-propyloamina (CH3CH2CH2)3N 3,35 10,65
aminy aromatyczne
anilina
9,37 4,63
N-metyloanilina
N,N-dimetyloanilina
NH 2
NHCH 3
N(CH 3 ) 2
9,21 4,79
8,94 5,06
p-metoksyanilina 8,7 5,3
p-nitroanilina 13,0 1,0
heterocykliczne aminy aromatyczne
pirol
NH
~ 15 ~ - 1
pirydyna
NH
8,75 5,25
Czwartorzędowe zasady amoniowe mają moc podobną do wodorotlenków alkalicznych, pH ich
wodnych roztworów wynosi 14.
14

Wpływ podstawników na zasadowość amin
Porównując dane zawarte w tabeli nietrudno stwierdzić, że aminy alifatyczne są kilkanaście razy
silniejszymi zasadami niż amoniak. Nietrudno też domyślić się, że przyczyną wzrostu
zasadowości amin alifatycznych w stosunku do NH3 jest efekt indukcyjny +I reszt alifatycznych.
H
R N :
H
+ H
+
Zwiększenie liczby reszt alifatycznych w aminach 2 o i 3 o ma niewielki wpływ na moc amin. Co
prawda wzrasta efekt indukcyjny, ale zwiększa się zarazem hydrofobowość cząsteczki, przez co
tworzący się kation amoniowy jest trudniej solwatowany przez cząsteczki wody. Z tego samego
powodu pirolidyna jest silniejszą zasadą niż 2 o aminy alifatyczne, ponieważ obie reszty
przyłączone do atomu azotu tworzą pierścień, przez co atom N jest z jednej strony odsłonięty, a
to ułatwia solwatację.
W aminach aromatycznych efekty mezomeryczny -M i indukcyjny -I pierścienia fenylowego
zmniejszają ładunek ujemny przy atomie azotu, przez co zmniejsza się jego powinowactwo do
protonu i aminy te stają się mniej zasadowe.
..
N N +
N +
-
..
-
..
amina
:
R
NH 2
H
N
H
+
H
+ H +
+
NH 3
kation
amoniowy
Podstawniki zwiększające efekt elektronoakceptorowy (EWG), np. grupa nitrowa, jeszcze
mocniej obniżają zasadowość amin aromatycznych, a podstawniki elektronodonowe (EDG)
wpływają na wzrost ich zasadowości.
..
N
EWG
O O O
+
EWG: -NH3 , -C-H, -C-R, -C-OR,
-NO2 , -SO2R(H), -SO3R(H) podstawniki elektronoakceptorowe
(EWG) zniejszają zasadowość
amin aromatycznych
..
N
EDG
.. ..
EDG: -NH2 , -OR(H),
..
-R (alkil)
podstawniki elektronodonorowe
(EDG) zwiększają zasadowość
amin aromatycznych
Jeszcze silniejszy efekt wywołuje grupa karbonylowa bezpośrednio związana z atomem azotu,
np. w N-acylowanych aminach czyli amidach. Na skutek mezomerii, na atomie azotu kumuluje
się częściowy ładunek dodatni, a przez to amidy nie tylko tracą właściwości zasadowe, ale atomy
wodoru przy atomie azotu w amidach stają się bardziej kwaśne niż w aminach (pKa amin ~ 40,
pKa amidów ~ 20) .
.. .. - .. -
O:
: O:
: O:
C ..
C ..
C +
R NH R + NH
2
2 R NH2 Amidy powstają z amin w wyniku ich acylowania. W reakcji hydrolizy amidów odtwarzają się
aminy.
15

O
R'-C-Cl
acylowanie
amin
- HCl
..
O
R NH2 amina
-OH/HOH lub
R NH C R'
amid
hydroliza
amidów
2. - 1. H OH
+ /HOH
Aminy o niskim ciężarze molowym są rozpuszczalne w wodzie i wykazują odczyn zasadowy.
Otrzymane z nich amidy stają się nierozpuszczalne lub trudno rozpuszczalne w wodzie i
wykazują odczyn obojętny wobec uniwersalnego papierka wskaźnikowego.
2. Nukleofilowość
Dzięki wolnej parze elektronów przy atomie azotu aminy wykazują właściwości nukleofilowe, co
objawia się ich podatnością na alkilowanie, arylowanie i acylowanie.
2.1 Alkilowanie
Aminy pod wpływem odczynników alkilujących zwiększają rzędowość, tzn. z amin 1 o
przechodzą w aminy 2 o i dalej w 3 o i w 4 o sole amoniowe. Praktyczne znaczenie ma alkilowanie
amin aromatycznych do 3 o – N,N-diakliloaryloamin i otrzymywanie 4 o soli amoniowych.
Dokładne schematy reakcji zostały przedstawione w podrozdziale otrzymywania amin poprzez
alkilowanie amoniaku.
.. R-X
N
H
R
N H
+
2.2 Arylowanie
Aminy można również arylować, najlepiej fluoroarenami uaktywnionymi podstawnikami typu
EWG, związanymi z pierścieniem aromatycznym w pozycjach orto- lub/i para-. Znanym
odczynnikiem do arylowania amin, w tym aminokwasów, np. wchodzących w skład białek, jest
2,4-dinitrofluorobenzen.
O2N O2N ..
:B ..
N H + F
N
NO 2
-
X
NO 2
amina 2,4-dinitrofluorobenzen 2,4-dinitrofenyloamina
2.3 Acylowanie
Aminy pod wpływem takich reagentów, jak halogenki acylowe, bezwodniki kwasowe i aktywne
estry ulegają acylowaniu, przy czym powstają amidy, pochodne amin pozbawione właściwości
zasadowych i w znacznej mierze nukleofilowych.
odczynnik
acylujący
R
O
C + H N
Y amina
:B
O
C
R N
amid
Y: -F, -Cl, -Br i -I w halogenkach kwasowych;
lub -OCOR w bezwodnikach kwasowych
lub -OR i -OAr w estrach aktywnych
Aminy mogą tworzyć amidy nie tylko z pochodnymi kwasów karboksylowych, ale również
innych kwasów. Znane są powszechnie sulfonoamidy, czyli amidy kwasów sulfonowych.
16

Znalazły one szerokie zastosowanie jako leki. W chemii organicznej używa się ich do
rozróżniania rzędowości amin.
Rozróżnianie rzędowości amin
Aminy o nieznanej rzędowości poddaje się działaniu chlorku benzenosulfonowego. Aminy 1 o
tworzą z nim nierozpuszczalne w wodzie monopodstawione sulfonoamidy, które posiadają tak
kwaśny amidowy atom wodoru, że tworzą z wodorotlenkami alkalicznymi, np. z NaOH
rozpuszczalne w wodzie sole. Sąsiedztwo atomu siarki powoduje wzrost kwasowości amidowego
atomu wodoru.
O
kwaśny atom wodoru
O H
:B
NaOH
S Cl + H2N.. R S N.. R - HOH
O amina 1 O sulfonoamid
chlorek kwasu
benzenosulfonowego
monopodstawiony;
nierozpuszczalny
w wodzie
o
O
S
O
.. -
N.. R
+
Na
sól sodowa
sulfonoamidu;
rozpuszczalna
w wodzie
Rozpuszczalność sulfonoamidu w wodzie zawierającej NaOH świadczy o tym, że powstał on
z aminy 1 o .
.. -OH .. -
SO NH R 2 SO N R + HOH
2 ..
Aminy 2 o reagują z chlorkiem benzenosulfonowym tworząc amid dipodstawiony, który z braku
amidowego atomu wodoru nie tworzy soli i nie rozpuszcza się w wodzie zawierającej NaOH.
O
S Cl + H NR2 :B
O
S NR2 O amina 2 O
chlorek kwasu
benzenosulfonowego
o
.. ..
NaOH
sulfonamid dipodstawiony,
nierozpuszczalny w alkaliach
Aminy 3 o nie reagują z halogenkami kwasowymi.
Czwartorzędowe sole amoniowe
..
SO 2 Cl + NR 3
Czwartorzędowe sole amoniowe – R4 + N - X – powstają w reakcji alkilowania amin nadmiarem
środka alkilującego (jest to tzw. wyczerpujące alkilowanie). Czwartorzędowy kation amoniowy
jest kationem silnej zasady, dlatego trudno otrzymać 4 o wodorotlenki amoniowe w reakcji, np.
NaOH z 4 o solami amoniowymi. Można te wodorotlenki wydzielić z ich soli pod wpływem
wilgotnego Ag2O.
.. R-X ..
- Ag2O/HOH + -
R-X
NH NH
+
R
R
2 R
R3N: :B
:B
amina 1o amina 2o amina 3o :B
R-X R4 N X
R 4 N OH
AgX
4 o sól amoniowa 4 o wodorotlenek amoniowy
Czwartorzędowe sole amoniowe zawierające cztery różne podstawniki tworzą trwałe
enancjomery, które dają się rozdzielić. Przykładem może być bromek
17

enzyloetylometylopropanoamoniowy. Atom azotu w 4 o solach amoniowych ma hybrydyzacje
sp 3 .
H C
N
3
CH3CH2 +
H3CH2CH2C bromek (S)-benzyloetylometylo-n-propyloamoniowy
CH 2
enancjomery
CH 2
CH2CH2CH3 +
N
CH
bromek (R)-benzyloetylo-
3 metylo-n-propyloamoniowy
CH2CH3 2.4 Reakcja eliminacji Hofmanna
Grupy -NH2, -NHR i -NR2, podobnie jak -OR i -OH należą do grup trudnoodchodzących i
dlatego aminy 1 o , 2 o i 3 o są związkami trwałymi. Nie ulegają termicznemu rozkładowi do
alkenów, podobnie z resztą, jak alkohole i etery. Natomiast 4 o wodorotlenki amoniowe są
nietrwałe w podwyższonej temperaturze, rozkładają się do alkenu, przy czym wydziela się 3 o
amina, szczególnie łatwo eliminacji ulega trimetyloamina. Reakcja ta nazywa się eliminacją
Hofmanna.
.. CH3I + - Ag2O/HOH, ∆
CH3 (CH2 ) 3CH2CH2NH CH
2
3 (CH2 ) 3CH2CH2N(CH3 ) 3I (CH CH3 (CH2 ) 3CH=CH 3 ) 3N : +
2
nadmiar
- AgI, - HOH
heksyloamina jodek N,N,N-trimetyloheksyloamoniowy
trimetyloamina
heks-1-en (60%)
Mechanizm reakcji przypomina eliminację typu E2 halogenków alkilowych. Zaczyna się od
oderwania przez zasadę protonu z atomu węgla sąsiadującego z grupą aminową i odszczepienia
kationu trialkiloamoniowego. Reakcja biegnie jedynie w środowisku zasadowym, dlatego do
eliminacji Hofmanna dochodzi dopiero po przekształceniu 4 o soli amoniowej w 4 o
wodorotlenek amoniowy.
4 o sól amoniowa
H
C
-
C X
N(CH3 ) 3
+
Ag2O/HOH - AgX
H
C C OH
N(CH3 ) 3
+
4o wodorotlenek amoniowy
..
- - HOH ..
- N(CH 3 ) 3
C C
alken
Różnica pomiędzy eliminacją halogenowodoru, a reakcją eliminacji Hofmanna polega na tym,
że ta druga biegnie niezgodnie z regułą Zajcewa – z dwóch możliwych izomerów
konstytucyjnych powstaje ten alken, który zawiera mniej podstawników przy C=C. Jako
przykład służyć może termiczny rozkład wodorotlenku N,N,N-trimetylobutyloamoniowego,
prowadzący do pent-1-enu jako produktu głównego.
CH3CH2CH2CH=CH2 + -
N(CH ) I 3 3 Ag2O/HOH pent-1-en (57%)
+
CH3CH2CH2CHCH3 wodorotlenek N,N,N-trimetylo-
2-pentyloamoniowy
∆
CH 3 CH 2 CH=CHCH 2
pent-2-en
Przyczynę niezgodnego z regułą Zajcewa przebiegu eliminacji Hofmanna upatruje się w dużej
objętości grupy odchodzącej. Podstawnik trimetyloamoniowy preferuje taką konformację, w
której bardziej prawdopodobne staje się oderwanie protonu prowadzące do produktu Hofmanna,
a nie Zajcewa.
(3%)
18

H
-
OH
CH2CH3 H H3C H
3C
H
-
OH
H H
H CH2CH3 + N(CH N(CH3 )
3 ) +
3
3
bardziej stabilny konformer, ale mniej stabilny konformer
eliminacja E2 jest niemożliwa umożliwiający reakcję E2
Reakcja eliminacji E2 jest możliwa tylko dla tego konformeru, w którym odrywany atom H i
grupa odchodząca + N(CH3)3 przyjmują położenie s-trans (naprzemianległe). W powyższym
układzie nie ma sprzyjających warunków do oderwania atomu wodoru z atomu węgla C3 i
dlatego trudno tworzy się alken zawierający podwójne wiązanie pomiędzy C2 i C3 (pent-2-en).
Natomiast ułożenie się w konformacji naprzemianległej obu grup odchodzących przy C2 i C1 nie
przedstawia trudności. Podczas eliminacji zostaje oderwany atom H z C1 i jako główny produkt
tworzy się pent-1-en.
-
OH
1
H
H HH
H
4 2 CH3 CH CH CH 3 2 2 H
5 3 H C 3
6 H H
H H
H N(CH3 ) 3
+ N(CH3 ) 3
Eliminacja Hofmanna odegrała dużą rolę podczas oznaczania struktur amin o skomplikowanej
budowie, szczególnie amin naturalnych, w tym alkaloidów. Dzisiaj badania strukturalne
prowadzi się głównie metodami spektralnymi, a do otrzymywania alkenów stosuje się inne,
wydajniejsze niż ta reakcje, tak więc eliminacji Hofmanna obecnie ma przede wszystkim
znaczenie poznawcze oraz historyczne.
Zadanie: co powstanie w wyniku ogrzewania wodorotlenku N,N-dimetylopiperydyniowego?
AMINY AROMATYCZNE
Otrzymywanie
Najczęstszym sposobem otrzymywania amin aromatycznych jest redukcja odpowiednich
nitrozwiązków, które łatwo powstają w wyniku bezpośredniego nitrowania arenów. W
laboratorium do redukcji nitrozwiązków używa się metali, np. cynku, cyny czy żelaza w
środowisku kwaśnym. W przemyśle redukcję nitrobenzenu do aniliny żelazem w kwasie solnym
zarzucono z uwagi na powstające w dużych ilościach, trudne do zagospodorowania odpady
(zakwaszone tlenki żelaza) i obecnie nitrobenzen redukuje się katalitycznie, wobec tlenków
Cu2O, Cr2O3 lub BaO osadzonych na krzemionce albo też NiS/Al2O3.
NO 2
Sn/HCl
H 2 /kat
NaOH
NH 2
(97%)
anilina
(98%)
19

2,4-dinitrotoluen
CH 3
NO 2
NO 2
1. Fe/HCl
2. NaOH/HOH
CH3 NH2 NH 2
tolueno-2,4-diamina
Redukcję grup nitrowych można przeprowadzić selektywnie, np. 3-nitroanilinę otrzymuje się z
1,3-dinitrobenzenu w reakcji z siarczkiem sodu, a 3-aminobenzaldehyd z 3-nitrobenzaldehydu
pod wpływem chlorku cyny (II).
NO2 1,3-dinitrobenzen
3-nitrobenzaldehyd
NO 2
CHO
NO 2
Na 2 S
woda
1. SnCl 2 /HCl
NH 2
2. NaOH/HOH
NO 2
(74%)
3-nitroanilina
CHO
(70%)
NH 2
3-aminobenzaldehyd
(90%)
Nitrozwiązki aromatyczne można też redukować tetrahydroboranem sodu, a nawet
elektrolitycznie. Sposób elektrolityczny zapewnia dobrą wydajność i czysty produkt, ale jest
kosztowny. Obecnie najlepszą przemysłową metodą wytwarzania aniliny jest amonoliza fenolu.
Biegnie ona w drastycznych warunkach, ale jest technologią bezodpadową.
fenol
OH NH 2
+ NH 3
425 o C
20 MPa, kat.
+ HOH
anilina
Amonoliza chlorobenzenu została zarzucona w 1967 r., z powodu zużywania dużych ilości
drogiego chloru do produkcji chlorobenzenu i wytwarzania uciążliwych ścieków.
Właściwości chemiczne
Aminy aromatyczne, jak już to zostało wyjaśnione wcześniej są słabszymi zasadami i słabszymi
nukleofilami niż aminy alifatyczne. To reszta arylowa poprzez efekt -M i -I osłabia właściwości
zasadowe i nukleofilowe, wynikające z obecności wolnej pary elektronów na atomie azotu. Z
drugiej strony grupa aminowa (EDG) też modyfikuje właściwości pierścienia aromatycznego
czyniąc go bardziej aktywnym w reakcjach SE. To uaktywnienie widoczne jest, np. w reakcji
bromowania aniliny; zachodzi ona w wodzie bez katalizatora tak łatwo, że powstaje od razu
tribromoanilina.
NH 2
anilina
Br 2
woda
Br
NH 2
Br
Br
2,4,6-tribromoanilina
(100%)
W celu otrzymania monobromowanej aniliny należy zdezaktywować grupę aminą, np. przez jej
acetylowanie.
NH 2
CH 3
Ac 2 O
Py
NHAc
CH 3
Br 2
- HBr
Br
NHAc
CH 3
NaOH
HOH
Br
NH 2
CH 3
4-toluidyna N-acetylo- N-acetylo-2-bromo- 2-bromo-4-me-
-4-toluidyna -4-metyloanilina -tyloanilina (79%)
20

Aminy aromatyczne można acylować w reakcji Friedela-Craftsa po uprzednim zacylowaniu
grupy aminowej (dlaczego?). Postępując w ten sposób otrzymuje się, np. 4-aminobenzofenon
poprzez acylowanie chlorkiem benzolilu N-acetyloaniliny.
NH 2
anilina
Ac 2 O
Py
NHAc
acetanilid
AlCl 3
COCl
O
C
NHAc
NaOH/HOH
O
C
NH 2
4-aminobenzofenon
Jeżeli zamiast halogengów acylowych użyje się kwasu chlorosulfonowego, a produkt tej reakcji
podda się amonolizie to powstaną sulfonamid .. (sulfanilamidy), znane leki przeciwbakteryjne.
y
.. ..
NHAc NHAc
HOSO 2 Cl
N-acetyloanilina
SO 2 Cl
NH 3
HOH
Sulfanilamid jest amidem kwasu sulfanilowego.
..
NH 2
kwas
sulfanilowy
SO 3 H
NHAc
..
SO2NH2 NaOH/HOH
..
NH 2
..
NH 2
..
SO NH 2 2
sulfanilamid
..
SO2NH2 sulfanilamid
(4-aminobenzenosulfonamid)
Pośród popularnych leków sulfamidowych można wymienić przykładowo sulfaguanidynę,
madroxin czy sulfatiazol.
N
H 2
SO 2 N
sulfoguanidyna
C
NH 2
NH 2
H2N SO2 NH
madroxin
N
OCH 3
N N H S
2 SO2 NH
N
OCH 3
sulfatiazol
Kwas sulfanilowy otrzymuje się w reakcji spiekania aniliny z kwasem siarkowym. W pierwszym
etapie tej reakcji tworzy się sól, która w podwyższonej temperaturze traci wodę i powstaje amid
kwasu N-fenylosulfaminowego, po czym ulega on przegrupowaniu (w wewnętrznej reakcji
sulfonowania) do kwasu 4-aminobenzeno-sulfonowego, czyli kwasu sulfanilowego.
NH 2
H 2 SO 4
+
NH 3
-
O3SOH ∆
- HOH
NHSO 2 OH
180 o C
anilina wodorosiarczan aniliniowy kwas N-fenylosulfamidowy
NH 2
SO 2 OH
(80%)
kwas sulfaniliowy
(55%)
W takiej samej reakcji z 1-naftyloaminy powstaje kwas naftionowy (4-aminonaftaleno-1sulfonowy).
Zadanie: napisz schemat reakcji otrzymywania kwasu naftionowego z 1-naftyloaminy.
Kwas sulfanilowy (4-aminobenzenosulfonowy) zawiera w obrębie swojej cząsteczki grupę
kwasową obok zasadowej. W tej sytuacji dochodzi do reakcji między nimi, tzn. proton z kwasu
zostaje przeniesiony na atom azotu i tworzy się sól, zwana solą wewnętrzną, inaczej jonem
obojnaczym (zwitterjonem).
21

+ +
NH 3
SO 3 H
- H +
H +
NH 3
-
SO 3
- OH
H +
NH 2
-
SO 3
kation jon obojnaczy anion
Sól wewnętrzna, mająca budowę jak powyżej, charakteryzuje się zwykle dużą polarnością (jest
trudno rozpuszczalna w niepolarnych rozpuszczalnikach) i ma wysoką temperaturą topnienia; tt.
kwasu sulfanilowego wynosi 280-300 o C (z rozkładem).
Reakcje amin z kwasem azotowym (III)
Aminy alifatyczne 1 o pod wpływem kwasu azotawego ulegają przemianie, przy czym powstaje
mieszanina związków składająca się z alkenu, alkoholu i jeszcze innych produktów
podstawienia; wszystkie zawierają ten sam szkielet węglowy co amina.
CH3 H3C C CH3 t-butyloamina
izobuten
C
H 3
CH3 CH2 NaNO 2
NH 2
HCl
CH3 CH3 C + H3C C + H C 3 C
t-butanol OH
Cl
Mechanizm reakcji
Reakcja zaczyna się od utworzenia kationu nitrozoniowego: + NO.
+ - + - HOH .. .. +
Na NO O 2 + H Cl H .. N O
- NaCl
H . .
O N O
H +
+ Na Cl - H + /HOH ..
CH3 CH3 - HOH
chlorek
t-butylu
.. ..
+
N O:
kation
nitrozoniowy
Kation nitrozoniowy w reakcji z aminą tworzy sól diazoniową. Alifatyczne soli diazoniowe są
nietrwałe, szybko ulegają rozkładowi do karbokationu.
H
H
NH2 O N N O N N O N N O H N N O
H
H
- H
H
+
..
.. ..
.. H
R +
+
N :
..
R .. : R
+
.. .. : R .. ..
+ /HOH
..
..
R .. .. +
amina
Karbokation stabilizując się odszczepia proton i powstaje alken:
H CH2 - H CH2 H C 3
C
+ CH3 H C 3
CH3 +
karbokation
C
izobuten
- HOH
- N 2
+
R
karbokation
lub przyłącza nukleofil znajdujący się w środowisku reakcji, np. cząsteczkę wody, anion Cl - , itp.
tworząc odpowiednią pochodną:
C
H 3
CH 3
C
+
CH 3
- Nu, np.
HOH czy Cl -
C
H 3
CH3 C CH3 Nu
22

Reakcje 1 o amin aromatycznych
Aminy aromatyczne 1 o reagują identycznie jak ich odpowiedniki alifatyczne, ale tworzące się
aromatyczne sole diazoniowe są znacznie trwalsze. W niskich temperaturach (0-10 o C) reagują z
różnymi odczynnikami w rezultacie, czego otrzymuje się wiele cennych produktów.
Ar
NH 2
NaNO 2 /HCl
5 o C
+ - chlorek
Ar N N:
Cl arylodiazoniowy
NH2 N N -
NaNO2 +
: Cl
HCl
anilina chlorek fenylodiazoniowy
Reakcje amin 2 o
W reakcji z kwasem azotawym zarówno 2 o aminy alifatyczne jak i aromatyczne zostają
przekształcone N-nitrozaminy.
N-metyloanilina
(CH 3 ) 2 NH
NaNO 2
.. ..
(CH3 ) 2N N O
HCl
dimetyloamina N-nitrozodimetyloamina
N
H
.. NaNO 2
CH 3
HCl
..
.. N
N
CH 3
O
N-nitrozo-N-
-metyloanilina
Reakcje amin 3 o
W reakcji kwasu azotowego z 3 o aminami alifatycznymi powstają zwykłe sole – azotany
trialkiloamoniowe, natomiast 3 o aminy aromatyczne ulegają reakcji nitrozowania, wg
mechanizmu SE.
..
N(CH3 ) 2
NaNO 2
HCl
N,N-dimetyloanilina
..
N(CH3 ) 2
H N O .
+
.
.. ..
+
N(CH3 ) 2
H N O . .
.. ..
- H +
..
N(CH3 ) 2
NO
N,N-dimetylo-p-nitrozoanilina
Sole diazoniowe
Sole diazoniowe zarówno alifatyczne, jak i aromatyczne są nietrwałe. Alifatyczne rozkładają się
już w niskiej temperaturze, a aromatyczne są względnie trwałe jedynie w pobliżu 0 o C. Z jednych
i drugich powstaje odpowiedni karbokation, którego istnienie można wywnioskować na
podstawie produktów, jakie powstają z rozkładającej się soli diazoniowej. Produkty te zależą od
odczynników nukleofilowych obecnych w środowisku reakcji.
Aromatyczne sole diazoniowe są na tyle trwałe, że można je wykorzystywać w różnego rodzaju
reakcjach, np. wymieniać na inne funkcje, gdyż cząsteczka N2 jest łatwo odchodzącą grupą,
redukować do pochodnych hydrazyny, lub stosować w reakcjach SE – kation arylowy ma
właściwości elektrofilowe (słabe).
1. Reakcje substytucji
Aminy aromatyczne są stosunkowo łatwo dostępne i z tego powodu znalazły szerokie
zastosowanie w syntezie organicznej. Sole diazoniowe, bezpośrednio po otrzymaniu ich z 1 o
amin aromatycznych przekształca się w różnego rodzaju pochodne, np. w fenole, halogenki
arylowe, cyjanki i wiele innych. Są też wykorzystywane do czasowego blokowania określonej
23

pozycji w pierścieniu aromatycznym, na czas zaplanowanych przemian, a następnie usuwa się tę
osłonę w reakcji odaminowania.
Cl
Br
CuBr HBr
HCl
CuCl
H 3 PO 2
H
NaI
+
N N:
X -
H + /HOH
1.1 Reakcja zagotowania – otrzymywanie fenoli
Podgrzanie soli diazoniowych w wodnych roztworach powoduje ich hydrolizę, przy czym
tworzą się fenole i wydziela się gazowy azot. Drobne pęcherzyki azotu pojawiają się w całej
objętości roztworu zanim temperatura osiągnie 100 o C, co stwarza wrażenie wrzenia. Z tego
powodu ta reakcja nazywa się reakcją zagotowania. Różni się jednak od normalnego wrzenia
tym, że pęcherzyki azotu są znacznie drobniejsze niż podczas normalnego wrzenia.
W reakcji zagotowania przejściowo powstaje karbokation, który nie łączy się z anionem, np. z
anionem wodorosiarczanowym, ponieważ woda jest znacznie silniejszym nukleofilem niż HSO4 - .
Reakcja wymaga silnie kwaśnego środowiska i podwyższonej temperatury.
+
N N
-
HSO 4
∆
- N 2
+
∆
KCN
I
CuCN
..
HOH ..
wodorosiarczan benzenodiazoniowy karbokation fenol (75%)
Innym przykładem zastosowania reakcji zagotowania może być synteza 3-nitrofenolu, który
poprzez sole diazoniowe powstaje z wyższą czystością, niż w wyniku halogenowania
nitrobenzenu czy hydrolizy 3-halogenonitrobenzenu. Aminy, z których otrzymuje się sole
diazoniowe pochodzą najczęściej z odpowiednich nitropochodnych.
HNO 3
H 2 SO 4
NO 2
NO 2
H 2 S
NH 3
NH 2
NO 2
benzen m-dinitrobenzen m-nitroanilina
H 2 SO 4
NaNO 2
- H +
OH
N 2
+
CN
OH
HSO 4
NO 2
-
HOH
∆, - N 2
wodorosiarczan m-nitrobenzenodiazoniowy
Można też w ten sposób otrzymać 3-bromofenol, trudnodostępny na innej drodze.
NH 2
NaNO 2
H 2 SO 4
+ -
N2 HSO4 HOH
OH
Br Br
Br
m-bromoanilina wodorosiarczan m-bromo- 3-bromofenol
benzenodiazoniowy
∆
OH
NO 2
3-nitrofenol
(56%)
24

1.2 Reakcja Sandmeyera
Reakcja Sandmeyera polega na wymianie grupy -N≡N na nukleofil, katalizowanej przez sole
miedzi (I).
Traugott Sandmeyer (1854-1922); ur. w Wettingen, Szwajcaria; doktorat w Heidelbergu u Gattermana;
zatrudniony w Geigy Company, Bazylea, Szwajcaria.
W reakcji Sandmeyera otrzymuje się chlorki, bromki i cyjanki arylowe. Jodki arylowe powstają
w reakcji soli diazoniowej z jodkiem sodu lub potasu, bez potrzeby stosowania katalizatora.
Reakcja Sandmeyera jest alternatywną metodą otrzymywania halogenków arylowych do
bezpośredniego halogenowania arenów w reakcjach SE. Reakcja Sandmeyera daje możliwości
wprowadzenia halogenu w inne miejsce pierścienia i utworzenia takiej pochodnej, którą trudno
byłoby otrzymać na drodze bezpośredniego halogenowania. Przykładem może być synteza 2-
chlorotoluenu. W wyniku chlorowania toluenu powstaje mieszanina izomerów.
CH 3
NH 2
NaNO 2
CH3 N2 + -
Cl
HCl
CH 3
Cl
+ N 2
HCl
Cu2Cl2 o-toluidyna chlorek o-toluenodiazoniowy 2-chlorotoluen (70%)
Kwas antranilowy otrzymuje się bardzo prosto z ftalimidu, a z niego w reakcji Sandmeyera
powstaje kwas o-bromobenzoesowy.
NH Cl
2
NaNO 2
HCl
Cu 2 Cl 2
COOH
COOH
kwas antranilowy kwas o-chlorobenzoesowy
Cyjanki arylowe tworzą się w wyniku rozkładu odpowiednich soli diazoniowych w obecności
cyjanku miedzi (I).
NO NO NO 2
2
2
Cl CN
- +
CN- /CuCN
NH 2
NaNO 2
HCl
∆
N 2
- N 2
(87%)
o-nitroanilina chlorek o-nitrobenzenodiazoniowy 2-nitrobenzonitryl (76%)
Mechanizm reakcji Sandmayera
Reakcja biegnie mechanizmem rodnikowym. W pierwszym etapie elektron dostarczony na
drodze SET przez kation Cu + przekształca kation diazoniowy w rodnik arylowy i wydziela się
azot. Rodnik z kolei w reakcji z anionem przechodzi w anionorodnik, z którego następnie znów
na drodze przeniesienia pojedynczego elektronu powstaje odpowiednia pochodna arylowa i
odtwarza się katalizujący reakcję kation Cu + .
+
N N + Cu +
SET
kation diazoniowy
.
rodnik
+ Cu 2+ + N 2
X
X - - .
Cu 2+
+
anionorodnik
1.3. Jodowanie
Jodki arylowe powstają w reakcji soli diazoniowych z jodkiem potasu.
SET
Cu + +
X
produkt
substytucji
25

NO 2
NaNO 2
H 2 SO 4
NO2
NO 2
NH2 N
+ -
2 HSO4 I
p-nitroanilina wodorosiarczan p-nitrobenzenodiazoniowy 4-jodonitrobenzen
Jodowanie nie wymaga katalizatora, tę rolę spełnia anion jodkowy (I - ), który w procesie SET
łatwo oddaje elektron kationowi diazoniowemu i staje się rodnikiem (I . – jodem atomowym),
równocześnie powstaje rodnik arylowy. Ten z kolei w reakcji z następnym anionem jodkowym
tworzy anionorodnik i zaczyna się podobna reakcja łańcuchowa jak w obecności soli Cu (I). Z
anionorodnika i kationu diazoniowego powstaje jodek arylu oraz rodnik arylowy, który zawraca
do reakcji.
+
N N + I I I
N N
-
.
SET
+ I - . -
(75%)
- I
+ N2 SET
- N2 +
jodek benzenodiazoniowy
(kation diazoniowy)
rodnik
anionorodnik jodek fenylu
(produkt
substytucji)
+
.
1.4 Fluorowanie
Fluor do pierścienia aromatycznego wprowadza się najlepiej poprzez termiczny rozkład
tetrafluoroboranu soli diazoniowej.
CH 3
NH 2
NaNO 2
HCl
CH 3
N 2
NaBF 4
KI
- N 2
CH 3
+ -
Cl
+ -
BF4
N 2
∆
- BF 3 , - N 2
CH 3
p-toluidyna chlorek p-toluenodiazoniowy tetrafluoroboran 4-fluorotoluen (50%)
p-toluenodiazoniowy
Br
NH 2
1. NaNO 2 /HCl
2. NaB 4
Br
N 2
+ -
BF 4
∆
- BF 3 , - N 2
4-bromonaftylo-1-amina tetrafluoroboran 1-bromo-4-fluoronaftalen
4-bromonaftylo-1-amoniowy
Synteza związków fluoroorganicznych poprzez sole arenodiazoniowe jest znacznie łatwiejsza
niż innymi metodami.
1.5. Arylowanie
Z nitrobenzenu pod wpływem tetrafluoroboranu benzenodiazoniowego powstaje 3-nitrobifenyl.
Jest to reakcja SE – arylowanie nitrobenzenu kationem fenylowym.
Br
F
F
.
26

tetrafluoroboran
benzenodiazoniowy
+ -
N N
BF 4
- N 2
NO 2
-
BF3 O 2 N
F
fluorek
fenylu
Wyżej zaprezentowane produkty mogą powstać jedynie z karbokationu.
3-nitrobifenyl
Tetrafluoroborany arenodiazoniowe otrzymuje się łatwo z odpowiednich soli diazoniowych.
Krystalizują po wprowadzeniu kwasu fluoroborowego – HBF4 do roztworu soli ArN2 + z innymi
kationami:
ArN2 + X - + HBF4 ⎯→ ArN2 + BF4 - ↓ + HX
Karbokation tworzący się z soli diazoniowej otrzymanej z kwasu antranilowego bierze udział w
reakcji SE prowadzącej do kwasu 2,2’-bifenylodikarboksylowe. Kwas ten powstaje w wyniku
arylowania tej soli diazoniowej karbokationem pochodzącym z jej rozpadu.
kwas
antranilowy
2
+ HOOC
NaNO2 + - 2 Cu /NH3 NH
kwas 2,2'-bifenylo-
2
2 N
HCl
2 Cl
- N dikarboksylowy
2
(82%)
COOH sól diazoniowa COOH
COOH (kwas difenylowy)
Zadanie: napisz mechanizm powyższej reakcji.
1.6 Reakcja odaminowania
Soli diazoniowe pod wpływem kwasu fosforowego (I) – H3PO2 ulegają rozkładowi z
wydzieleniem azotu (redukcja); powstaje odpowiedni aren. Jest to tzw. reakcja odaminowania.
W ten sposób można czasowo osłonić odpowiednie miejsce w pierścieniu aromatycznym, po
czym w inne miejsce wprowadzić pożądany podstawnik, a następnie usunąć osłonę aminową
poprzez sól diazoniową.
Tą metodą otrzymuje się, np. 3-bromotoluen i 3,5-dibromotoluen, pochodne niedostępne poprzez
bezpośrednie bromowanie toluenu.
Produkty bezpośredniego bromowania toluenu:
CH 3
Br 2
FeBr 3
CH 3
benzen Br 4-bromotoluen
+
CH 3
Br
Br
2,4-dibromotoluen
W celu otrzymania 3,5-dibromotoluenu należy wyjść z 4-toluidyny. Jej dibromopochodną, która
powstaje w reakcji aniliny z bromem, przeprowadza się w sól diazoniową, a następnie poprzez
odaminowanie za pomocą kwasu fosforowego (I) usuwa się grupę aminową. Stosując toluen
jako substrat, ciąg reakcji prowadzących do 3,5-dibromotoluenu wygląda następująco:
27

CH3 HNO3 toluen
H 2 SO 4
CH3 1. Fe/H + /HOH
CH 3
CH 3
2. Br Br
NO NH NH
2
2
2
-OH p-nitrotoluen 4-toluidyna 2,6-dibromo-4-
-metyloanilina
Br 2
H 2 SO 4
NaNO 2
CH 3
Br Br
+ -
N2 HSO4 H 3 PO 2
CH 3
Br Br
3,5-dibromotoluen
H3PO3 pełni w tej reakcji rolę reduktora utleniając się do kwasu fosforowe (III) – H3PO3.
Zadanie: napisz stechiometrycznie równanie reakcji odaminowania.
W procedurze prowadzącej do otrzymania podobnym sposobem 3-monobromotoluenu należy
zdezaktywować grupę aminową p-toluidyny, najlepiej poprzez acetylowanie, przeprowadzić
bromowanie, po czym przed diazowaniem usunąć osłonę acetylową.
CH 3
NH 2
CH 3
Ac 2 O Br 2
NHAc
p-toluidyna N-acetylo-
-p-toluidyna
Br
CH 3
NHAc
- OH/HOH
2-bromo-4-metylo-
-N-acetyloanilina
Br
CH 3
NH 2
H 2 SO 4
NaNO 2
Br
-
CH 3
+
HSO N 4 2
H 3 PO 2
CH 3
(38%)
Br
2-bromo-4-metylooanilina 3-bromotoluen
Podsumowanie zastosowania reakcji Sandmeyera i pokrewnych
Ar
HNO 3
H Ar NO NH 2 Ar 2
H 2 SO 4
1. Fe/H +
2. - OH
diazowanie
Ar N N
+
∆
NaNO 2 /H +
Cl - /Cu + Br - /Cu + CN - /Cu + I - BF 4 - HOH H 3 PO 2
Ar-Cl Ar-Br Ar-CN AR-I Ar-F Ar-OH Ar-H
reakcje Sandmeyera
3. Redukcja soli diazoniowych do arylohydrazyn
Sole diazoniowe można redukować nadmiarem gorącego roztworu siarczanu (IV) sodu;
powstają przy tym odpowiednie arylohydrazyny. W ten sposób z chlorku benzenodiazoniowego
otrzymuje się fenylohydrazynę.
+ Cl - 1. Na 2 SO 3 /HOH
N 2
2. - OH
NH NH 2
chlorek benzenodiazoniowy fenylohydrazyna
3. Sprzęganie soli diazoniowych
Kation diazoniowy jest słabym elektrofilem, ale wchodzi w reakcję z silnymi nukleofilami,
tworząc produkt substytucji elektrofilowej SE. Reakcja nazywa ta się reakcją sprzęgania, a jej
produktami są azoareny.
+ - H +
(64%)
N N + OH N N OH
kation benzenodiazoniowy fenol p-hydroksyazobenzen
28

Sole diazoniowe nie reagują z nieuaktywnionymi arenami, np. nie reagują z benzenem; nie da
się w ten sposób otrzymać p-hydroksyazobenzenu w reakcji benzenu z chlorkiem phydroksybenzenodiazoniowym.
+
N
+
N OH
N N OH
benzen kation p-hydroksybenzenodiazoniowy brak reakcji
Sprzęganiu ulegają natomiast aminy aromatyczne.
+
- H+
N N + N(CH ) 3 2 N N N(CH ) 3 2
kation benzenodiazoniowy N,N-dimetyloanilina p-(dimetyloamino)azobenzen (żółcień masłowa)
Związki azowe są krystaliczne i barwne. Ich zabarwienie wynika ze sprzężenia wielu par
elektronów π i wolnych par elektronów na atomach azotu.
p-(dimetyloamino)azobenzen
..
N
N..
CH 3
N.. CH3
żółcień masłowa
żółte kryształy
t.t. 127 o C
Sprzęganie soli diazoniowych jest reakcją substytucji elektrofilowej – SE, w której rolę
elektrofilu pełni kation diazoniowy. Jako słaby elektrofil wchodzi w reakcję sprzęgania jedynie
z arenami uaktywnionymi na podstawienie elektrofilowe, a więc z tymi, które zawierają
podstawniki EDG. Wymianie ulega proton najczęściej w pozycji para- do EDG, a jeżeli pozycja
para- jest zajęta to grupa azowa zajmuje pozycję orto-.
.. .. .. ..
EGD: -OH; -NH 2 ; -NHR; -NR 2
..
+
- H
N N + EDG N N EDG
+
kation diazoniowy uaktywniony aren związek azowy
Mechanizm reakcji jest typowy dla SE. Kation diazoniowy atakuje uaktywnioną pozycję para-,
tworzy się stabilizowany mezomerycznie addukt, który pod wpływem zasady, np. Cl - traci proton
i odzyskuje aromatyczność.
+
N
.. .. -
N : Cl .. : +
..
N(CH ) 3 2
..
N
.. .. -
N : Cl .. : +
+
: -
+
N(CH3 ) 2
chlorek
benzenodiazoniowy N,N-dimetyloanilina
N,N-(dimetyloamino)azobenzen
.. .. ..
N N N(CH3 ) 2
- HCl
.. .. +
N N N(CH ) 3 2
.. H
-
: Cl .. :
Sprzęganie soli diazoniowych pomimo tego prostego mechanizmu, jest skomplikowaną reakcją,
ponieważ konkurencję dla niej stanowi hydroliza prowadząca do fenoli. Kierunek reakcji zależy
od warunków, głównie od temperatury i kwasowości środowiska. Im wyższa temperatura, tym
szybciej biegnie hydroliza soli diazoniowych (reakcja zagotowania).
Drugim parametrem decydującym o wydajności reakcji sprzęgania jest pH środowiska. Sole
diazoniowe są zdolne do sprzęgania jedynie w kwaśnym środowisku, ponieważ pod wpływem
29

zasad tworzą się wodorotlenki diazoniowym, w których grupa -OH jest związana z atomem
azotu kowalencyjnie, a nie jonowo; w tych warunkach zanika kation diazoniowy.
+ -OH -OH -
Ar N N Ar N N OH Ar N N O
H +
H +
ulega sprzęganiu nie ulega sprzęganiu nie ulega sprzęganiu
Aminy aromatyczne przestają być podatne na sprzęganie w środowisku mocnych kwasów (przy
niskim pH), ponieważ protonowana grupa aminowa zamiast uaktywniać pierścień aromatyczny
na substytucję elektrofilową dezaktywuję go.
sprzęga się w
środowisku lekko
kwaśnym pH 5-7
aktywacja
pierścienia
..
NH 2
H +
- OH
+
NH3 dezaktywacja
pierścienia
nie ulega sprzęganiu
Natomiast aktywność fenoli w reakcji sprzęgania rośnie wraz ze wzrostem pH, ponieważ jon
fenyloksylanowy silniej uaktywnia pierścień aromatyczny na reakcję typu SE niż wolna grupa -
OH.
sprzęga się
powoli
.. -
: O H : O:
..
- OH
H +
sprzęga się
bardzo szybko
Zależność szybkość sprzęgania amin aromatycznych i fenoli z solami diazoniowymi w od
kwasowości środowiska pozwala na selektywne prowadzenie reakcji. Dzięki temu zróżnicowaniu
cząsteczkę zawierającą zarówno grupę aminową, jak i hydroksylową daje się sprzęgać osobno z
różnymi solami diazoniowymi. Jako przykład może służyć sprzęganie wielofunkcyjnej
pochodnej naftalenu, jaką jest kwas H – kwas 8-amino-1-hydroksynaftaleno-3,6-disulfonowy.
Pozycje 4 i 5 w tym kwasie są mocniej zdezaktywawane przez funkcje sulfonowe niż 2 i 7,
dlatego też reakcja sprzęgania z solą diazoniową zachodzi w pozycjach 4 i 5, a w zależności od
wartości pH w miejscu uaktywnionym raz przez grupą aminową, a drugi raz przez grupę
fenolową.
Reakcja sprzęgania z kwasem 8-amino-1-hydroksynaftaleno-3,8-disulfonowym
przy pH
5-7
NH OH 2
przy pH
8-10
HO 3 S
8
7
6
5
1 23
4
SO 3 H
Barwniki azowe
Azoareny charakteryzują się zwykle intensywną barwą, są stosunkowo łatwe w syntezie i trwałe,
a dzięki możliwości posiadania różnego rodzaju podstawników wykazują powinowactwa do
wielu substancji – spełniają więc wymogi dobrego barwnika. Faktycznie wiele związków
azowych znalazło szerokie zastosowanie do wybarwiania tkanin, innych materiałów, a także
służą jako wskaźniki zmieniające barwę w zależności od pH środowiska. Pośród barwników
azowych znane są wszystkie możliwe barwy i ich odcienie. Barwa azoarenów zmienia się w
zależności od rodzaju, liczby i położenia grup funkcyjnych w pierścieniach aromatycznych.
Szczególną rolę pełnią grupy aminowe i hydroksylowe, które nie tylko ułatwiają sprzęganie, ale i
pogłębiają barwę. Natomiast reszta sulfonowego zwiększa zarówno rozpuszczalność barwnika w
wodzie, jak i jego powinowactwo do podłoża.
30

Barwniki, z uwagi na sposób wybarwiania dzielą się na bezpośrednie, zaprawowe,
wywoływane, kadziowe i inne. Barwniki bezpośrednie są rozpuszczalne w wodzie i wykazują
powinowactwo do włókien, dzięki czemu barwnik bezpośrednio z roztworu adsorbuje się trwale
na włóknie; wystarczy je zanurzyć w roztworze barwnika (kąpieli). Zaprawowe to takie, które
tworzą trwałe, trudno rozpuszczalne, metaliczne kompleksy. Zaprawianiem nazywa się etap
dodawania soli odpowiedniego metalu w trakcie barwienia (po adsorpcji barwnika na podłożu);
tworzy się pożądany kompleks, trwale związany z podłożem. Rolę „zaprawiaczy” pełnią głównie
sole chromu i miedzi. Przykładem tego typu barwników jest żółcień kwasowa chromowa.
Przymiotnik kwasowa oznacza, że barwnik jest kwasem, zawiera bowiem grupy kwasowe.
COOH
HO 3 S N N OH
żółcień kwasowa chromowa
Zadanie: zaproponuj otrzymywanie żółcieni kwasowej chromowej.
Barwnikami wywoływanymi nazywane są barwne nierozpuszczalne w wodzie związki,
syntezowane bezpośrednio na włóknie podczas procesu farbowania. Takim barwnikiem jest
czerwień para, służąca do barwienia wełny. Proces farbowania nią polega na wysyceniu wełny
alkalicznym roztworem β-naftolu, wysuszeniu tkaniny i następnie przeprowadzeniu na niej
sprzęgania poprzez umieszczenie jej w zimnej (lodowej) kąpieli zawierającej chlorek pnitrobenzenodiazoniowy.
W tracie tej operacji zostaje wywołana barwa – stąd nazwa tego typu
barwników.
Pośród barwników kadziowych nie ma związków azowych. Należą do nich inne barwne,
nierozpuszczalne w wodzie substancje, które stają się rozpuszczalne po przeprowadzeniu ich w
formę zredukowaną. W tej postaci nanoszone są w kadzi na podłoże (włókno), po czym w
wyniku utlenienia pojawia się zabarwnienie. Do barwników kadziowych należy, np. indygo.
Popularne barwniki azowe znane są po nazwami zwyczajowymi, np. omawiany uprzednio p-
(dimetyloamino)azobenzen nosi nazwę żółcieni masłowej, bowiem kolorem przypomina masło.
Do popularnych barwników należy żółcień anilinowa, czerwień para, żółcień alizarynowa, oranż
metylowy, pons krystaliczny, czerwień Kongo, benzopurpuryna czy chryzofenina G.
Pierwszym otrzymanym barwnikiem azowym była żółcień anilinowa (1859 r.). Obecnie nie jest
stosowana do wybarwiania tkanin, ze względu na niską trwałość. Powstaje w reakcji chlorku
benzenodiazoniowego z aniliną. Należy do tzw. barwników azowych zasadowych, ze względu na
obecność grupy -NH2.
Zadanie: napisz schemat reakcji prowadzącej do żółcieni anilinowej.
Czerwień para tworzy się w wyniku sprzęgania β-naftolu z chlorkiem pnitrobenzenodiazoniowym.
OH
- +
+ Cl
N 2
NO 2
OH
β-naftol chlorek p-nitro benzenodiazoniowy czerwień para
N N NO 2
31

Sprzęganie powyższych reagentów następuje w pozycję 1- β-naftolu ponieważ pozycja
odpowiadająca położeniu para- jest niedostępna. Z dwóch możliwych położeń orto- (1- i 3-) do
podstawienia dochodzi w pozycji 1-, gdyż jest to najbardziej reaktywne miejsce w naftalenie.
Do wybarwiania wełny stosuje się często barwniki kwasowe z grupami sulfonowymi – -SO3H,
bowiem w białku wełny występuje wiele aminokwasów zasadowych; zawierają one wolne grupy
-NH2. Barwniki kwasowe wiążą się z aminokwasami zasadowymi poprzez wiązanie jonowe – -
- +
SO3 NH3 ). Wełna o masie 1,2 kg jest zdolna do związania średnio 1 gramorównoważnika
kwasu lub barwnika kwasowego. Do barwników kwasowych stosowanych do wybarwiana wełny
zaliczany jest barwnik bezpośredni – oranż G.
N N
HO 3 S
Zadanie: zaproponuj sposób otrzymywania oranżu G.
HO
SO 3 H
oranż G
Znane są też barwniki diazowe i poliazowe. Do diazowych należy czerwień Kongo.
NH 2
N
SO 3 Na
Zadanie: jak i z czego otrzymać czerwień Kongo?
N N N
czerwień Kongo
NH 2
SO 3 Na
Do tego typu barwników należą też benzopurpuryna 10B (czerwonokarminowa) i czerń
bezpośrednia M.
NH2 N
SO 3 Na
CH 3 O CH 3 O
N N
N
NH 2
N N N
OH
COOH
benzopurpuryna 10B SO3Na SO3H czerwień bezpośrednia M
Zadanie: z jakich substratów i w jaki sposób można otrzymać benzopurpurynę 10B i czerwień bezpośrednią M.
Związki azowe zawierające w cząsteczce grupy zarówno kwasowe jak i zasadowe są zdolne do
zmiany zabarwienia pod wpływem zmiany pH roztworu. Nie nadają się one do wybarwiania
tkanin, ale znalazły szerokie zastosowanie jako substancje wskaźnikowe, czyli zmieniające barwę
przy określonym pH. Do jednych z najpopularniejszych barwników wskaźnikowych należy
oranż metylowy, zmieniający barwę w zakresie pH 3,1-4,5 – z żółtopomarańczowej w roztworze
zasadowym i obojętnym na czerwoną w środowisku kwaśnym. Zmiana barwy oranżu
metylowego związana jest ze zmianą struktury elektronowej cząsteczki.
..
(CH3 ) 2N ..
N N.. - - H
SO (CH
3
3 ) 2N ..
N
..
N
H
-
SO3 +
+ H +
żółtopomarańczowy
środowisko zasadowe
i obojętne
+
pH 3,1-4,5
oranż metylowy
NH 2
N
OH
czerwony
środowisko
kwaśne
Związki azowe słyną nie tylko z tego powodu, że przyczyniły się do rozwoju przemysłu
tekstylnego jako doskonałe barwniki oraz odegrały i nadal odgrywają ważną rolę w chemii
32

analitycznej jako wskaźniki pH, ale wniosły również istotny wkład do farmakologii. Takim
słynnym barwnikiem, protoplastą ważnych przeciwbakteryjnych leków – sulfonoamidów – stał
się prontosil rubrum – po polsku prontosil czerwony. Został on wyprodukowany w firmie Bayer i
wprowadzony do terapii w 1936 r.
Firma Bayer została utworzona w 1863 r. przez Fridricha Bayera, właściciela sklepu
farbiarskiego i Fridricha Weskotta, mistrza farbiarskiego. Początkowo produkowała ona głównie
barwniki, w tym alizarynę, indygo, błękit metylenowy i czerwień trypanową.
O
O
alizaryna
OH
OH
N
NaO 3 S SO 3 Na
O
N
H
N N
NH 2
H
N
..
N
O
..
(CH3 ) 2N S
.. +
..
N(CH ) 3 2
indygo
NaO 3 S
SO 3 Na
N
H 2
N
czerwień
trypanowa
SO 3 Na
..
(CH3 ) 2N ..
N
..
S..
+
N(CH3 ) 2
błękit metylenowy
Później drugim, obok barwników profilem firmy Bayer stały się farmaceutyki. Z odpadów po
produkcji barwników wyizolowano pierwszy lek tej firmy fenacetynę (1888 r.), analog do dzisiaj
używanego paracetamolu. W 1899 r. wyprodukowano słynną „bayerowską” aspirynę, preparat
znany i stosowany w lecznictwie od 1853 r.
NHAc
OEt
fenacetyna
NHAc
OH
paracetamol
COOH
OAc
aspiryna
Na przełomie XVIII i XIX w. szefowie Bayera postanowili rozwijać dział farmaceutyczny w
większym stopniu. W 1910 r. utworzono laboratorium chemoterapeutyczne jako pracownię
badawczą. Testowano w niej miedzy innymi różnego rodzaju barwniki, w tym azowe pod kątem
ich przydatności terapeutycznej. Stwierdzono, że związki azowe zawierające grupę sulfonową
wykazują duże do powinowactwo białka. W związki z tym wysunięto przypuszczenie, że mogą
one działać przeciwbakteryjne. Testy in vitro (badanie aktywności w szklanych naczyniach, nie
na żywych organizmach) nie potwierdziły jednak tych przypuszczeń. Naukowcy są zwykle
bardzo przywiązani do swoich koncepcji i próbują różnymi sposobami wykazać ich słuszność.
Prowadzący badania Gerhard Domagk, postanowił przeprowadzić testy in vivo (na żywych
organizmach). Okazało się, że pomimo negatywnych wyników in vitro niektóre kwasowe związki
azowe w badaniach in vivo wykazały aktywność przeciwbakteryjną. W 1932 r. wykazano
wyjątkowo dużą aktywność substancji o nazwie prontosil czerwony w leczeniu zwierząt
zakażonych doświadczalnie. W trakcie kontynuowania badań na aktywnością tego preparatu, w
grudniu 1933 r., 4-letnia córka Domagka ukłuła się igłą i groziła jej amputacja ręki na skutek
zakażenia. Domagk próbuje na sobie, czy prontosil czerwony nie jest niebezpieczny dla ludzi, a
po czym aplikuje go córce. Kuracja tym preparatem wprost cudownie uzdrowiła dziecko.
Obecnie takie postępowanie, tzn. podanie preparatu pacjentowi bez wielostronnego
potwierdzenia jego skuteczności i wykazania, że nie powoduje niebezpiecznych skutków
Cl -
33

ubocznych, jest przestępstwem. Każdy nowy lek musi mieć przewidziany prawem certifikat
zezwalający na wprowadzenie go do lecznictwa.
W 1935 r. Domagk opublikował wyniki badań nad aktywnością przeciwbakteryjną prontosila
czerwonego i w tym samym roku firma Bayer rozpoczęła jego produkcję jako leku pod nazwą
Prontisil. W 1937 r. Prontosil otrzymał złoty medal na Światowej Wystawie w Paryżu.
Prontosil czerwony otrzymuje się poprzez sprzęganie meta-fenylenodiaminy z solą diazoniową
uzyskaną z sulfanilidu.
NH 2
NaNO 2
HCl
+ -
Cl
N 2
N
H 2
NH 2
SO2NH2 SO2NH2 sulfanilamid prontosil
czerwony
NH 2
N
N
NH 2
SO 2 NH 2
Dalsze losy prontosilu czerwonego, tego cudownego leku, są nie mniej fascynujące niż odkrycie
jego właściwości terapeutycznych. Systematyczne badania nad tym preparatem wykazały, że w
żywym organizmie prontosil czerwony ulega biodegradacji do sulfanilidu (paminobenzenosulfoamidu),
który to jest aktywną postacią leku. Znacznie tańszy produkt
degradacji okazał się być tak samo skuteczny w leczeniu zakażeń, jak jego prekursor. Wyjaśniło
się też, dlaczego próby in vitro nie wykazały aktywności prontosilu czerwonego. Potrzebne były
enzymy żywego organizmu do uwolnienia sulfanilamidu. Sulfanilamid szybko wyparł z terapii
prontosil czerwony, a ze względu na brak zabarwienia w odróżnieniu od preparatu wyjściowego
był początkowo nazywany prontosilem białym. Obecnie ta nazwa nie jest używana. Tak, więc
prontosil czerwony, pomimo że był prekursorem nowej wówczas grupy leków
przeciwbakteryjnych – sulfonoamidów – szybko przestał być stosowany w terapii, zastąpiły go
skuteczniejsze i często prostsze w syntezie związki. Sam sulfanilamid stał się powszechnie
stosowanym lekiem. Jego synteza była opublikowana już w 1908 r., z tego też powodu nie można
było go objąć ochroną patentową i szereg firm rozpoczęło jego produkcję.
sulfanilamid
NH 2
H N 2 N N SO NH 2 2
hydroliza
enzymatyczna
N
H 2
prontosil
czerwony
SO 2 NH 2
( p-aminobenzenosulfoamid
)
Sulfonoamidy są nadal popularnymi i skutecznymi przeciwbakteryjnymi lekami, pomimo
odkrycia nowych środków leczniczych, chociażby antybiotyków.
34

Redukcja związków nitrowych w środowisku zasadowym
Redukcja nitrobenzenu w środowisku kwaśnym prowadzi do aniliny. Można przypuszczać, że
biegnie ona etapami poprzez nitrozobenzen i fenylohydroksyloaminą, ale ze względu na dużą
szybkość reakcji jej produkty pośrednie nie są wyodrębniane.
nitrobenzen
nitrozobenzen
NO 2
1. Zn/HCl
2. - OH
NO NHOH
NH 2
anilina
fenylohydroksyloamina
Natomiast w środowisku zasadowym, obojętnym lub słabo kwaśnym reakcja redukcji
nitrozwiązków biegnie wolniej. Dobierając odpowiednie warunki, w tym czynniki redukujące,
można reakcję zatrzymać na niektórych etapach, np. pochodnych hydroksyloaminy.
nitrobenzen
NO 2
Zn/NH 4 Cl
HOH
NHOH
(66%)
fenylohydroksyloamina
W odpowiednich warunkach, częściowo zredukowane związki wywodzące się z nitrobenzenu
reagują z sobą i powstają produkty addycji, np. azoksybenzen. Azoksybenzen z nitrobenzenu
otrzymuje się poprzez redukcję za pomocą soli As (III), glukozy, a nawet metanolu.
.. -
: O:
..
CH3OH/KOH NO2 N N
- HCOOK
+
nitrobenzen azoksybenzen (85%)
Zadanie: napisz równanie reakcji redukcji nitrobenzenu metanolem uwzględniając stechiometrię
Mechanizm reakcji
Nitrozobenzen i fenylohydroksyloamina powstające podczas redukcji nitrobenzenu w
środowisku zasadowym reagują z sobą, powstaje addukt, z którego po utracie wody tworzy się
azoksybenzen.
nitrozobenzen
.. ..
: O : OH
N..
+ : N
H
fenylohydroksyloamina
- .. ..
: O: : OH
N.. N
H
+
- - OH
H .. ..
O: : O H
N.. N..
- HOH
: O
N N
..
:
.. ..
-
+
-
: O:
..
N.. N
+
azoksybenzen
Nitrobenzen redukowany cynkiem w środowisku zasadowym zostaje przekształcony w
azobenzen.
nitrobenzen
NO 2
Zn/ - OH
∆
N N
(86%)
Pytanie: czy za pomocą reakcji sprzęgania można otrzymać azobenzen?
azobenzen
Azobenzen jest substratem do otrzymywania hydrazobenzenu i benzydyny. Hydrazobenzen
powstaje w wyniku redukcji azobenzenu, lub prościej redukcji nitrobenzenu.
Zn/ - OH
NO2 ∆
NH NH
nitrobenzen hydrazobenzen (40%)
35

Redukcję nitrobenzenu cynkiem do azobenzenu lub hydrazobenzenu prowadzi się w podobny
sposób, jedyna różnica polega na tym, że w trakcie otrzymywania hydrazobenzenu stosuje się
odpowiednio większe ilości pyłu cynkowego.
Benzydyna powstaje z hydrazobenzenu pod wpływem silnych kwasów w reakcji zwanej
przegrupowaniem benzydynowym.
1. H +
NH NH
2.
H2N -OH hydrazobenzen benzydyna
NH 2
36