آمینها ترکیبهای آلی نیتروژنداری هستند که در ساخت داروها، رنگها، مواد زیستی و بسیاری از فرآوردههای روزمره دیده میشوند. برای شناخت این خانواده کافی نیست هر ساختار دارای نیتروژن را آمین بنامیم؛ باید اتصالهای نیتروژن، تعداد گروههای کربنی متصل به آن و جفتالکترون ناپیوندیاش را بررسی کنیم. همین جفتالکترون علت مهم خاصیت بازی آمینها و توانایی آنها برای تشکیل یون و نمک آمونیوم است. در این مقاله، در چارچوب مفاهیم شیمی دبیرستان، آمینها را از روی ساختار تشخیص میدهیم، نوع و نام ساده آنها را تعیین میکنیم، خواص فیزیکی و رفتار اسیدـبازشان را توضیح میدهیم و در پایان یک مثال و تمرین روشن حل میکنیم.
آمین را بهعنوان مشتقی آلی از آمونیاک بشناس
مولکول آمونیاک NH₃ یک اتم نیتروژن با سه پیوند N–H و یک جفتالکترون ناپیوندی دارد. اگر یک یا چند اتم هیدروژن آمونیاک را با گروههای آلکیلی یا آریلی جایگزین کنیم، آمین به دست میآید. نمایش کلی آمینهای ساده میتواند R–NH₂، R₂NH یا R₃N باشد که در آن R نماینده یک بخش هیدروکربنی است.
برای نمونه CH₃NH₂ متیلآمین و CH₃CH₂NH₂ اتیلآمین هستند. وجود نیتروژن بهتنهایی برای تشخیص آمین کافی نیست؛ در آمیدها الگوی –CONH₂ وجود دارد و نیتروژن مستقیماً به کربن کربونیل متصل است. آمینواسیدها نیز علاوه بر گروه آمین، گروه کربوکسیل دارند. پس ابتدا همسایههای نیتروژن و وجود یا نبود C=O کنار آن را بررسی کن.
- آمونیاک: NH₃
- آمین نوع اول: R–NH₂
- آمین نوع دوم: R₂NH
- آمین نوع سوم: R₃N
- نیتروژن متصل به کربن کربونیل معمولاً بخشی از گروه آمیدی است، نه آمین ساده
نوع آمین را با شمار گروههای کربنی متصل به نیتروژن تعیین کن
در آمین نوع اول، نیتروژن به یک گروه کربنی و دو اتم هیدروژن متصل است. در آمین نوع دوم، دو گروه کربنی و یک هیدروژن روی نیتروژن قرار دارند و در آمین نوع سوم، نیتروژن به سه گروه کربنی متصل است و پیوند N–H ندارد. معیار دستهبندی، تعداد کربنهایی است که مستقیماً به نیتروژن پیوند دارند، نه تعداد کل کربنهای مولکول.
ساختار CH₃CH₂CH₂NH₂ با وجود سه اتم کربن، آمین نوع اول است؛ زیرا نیتروژن فقط به یک کربن متصل است. دیمتیلآمین (CH₃)₂NH نوع دوم و تریمتیلآمین (CH₃)₃N نوع سوم است. این کاربرد واژههای اول، دوم و سوم را با دستهبندی الکلها یکی ندان: در الکل، همسایههای کربن حامل OH شمرده میشوند، اما در آمین، گروههای کربنی متصل به خود نیتروژن را میشماریم.
- یک گروه کربنی روی N: نوع اول
- دو گروه کربنی روی N: نوع دوم
- سه گروه کربنی روی N: نوع سوم
- شمار کل کربنها نوع آمین را تعیین نمیکند
نام آمینهای ساده را از گروههای متصل به نیتروژن بساز
در نامگذاری ساده، نام گروه یا گروههای آلکیل متصل به نیتروژن را میآوریم و واژه «آمین» را به آن میافزاییم. CH₃NH₂ متیلآمین و CH₃CH₂NH₂ اتیلآمین نامیده میشوند. اگر گروههای یکسان تکرار شده باشند، از پیشوندهای دی و تری استفاده میکنیم؛ بنابراین (CH₃)₂NH دیمتیلآمین و (CH₃)₃N تریمتیلآمین است.
اگر دو گروه کربنی متفاوت به نیتروژن وصل باشند، نام هر دو گروه ذکر میشود؛ برای مثال CH₃NHCH₂CH₃ را میتوان اتیلمتیلآمین نامید. در نامگذاری نظاممند ترکیبهای پیچیده، یک زنجیر اصلی و جانشینهای متصل به نیتروژن با نشانه N مشخص میشوند، اما در تمرینهای مقدماتی معمولاً شناخت گروههای متصل و نامهای ساده کافی است. فرمول فشرده را با دقت باز کن تا هیدروژن روی نیتروژن از قلم نیفتد.
جفتالکترون ناپیوندی نیتروژن، خاصیت بازی آمین را ایجاد میکند
بر پایه تعریف برونستدـلوری، باز گونهای است که پروتون H⁺ میپذیرد. نیتروژن آمین یک جفتالکترون ناپیوندی دارد و میتواند با آن به پروتون پیوند دهد. برای نمونه متیلآمین در آب طبق تعادل CH₃NH₂ + H₂O ⇌ CH₃NH₃⁺ + OH⁻ رفتار میکند. تشکیل OH⁻ توضیح میدهد چرا محلول آبی بسیاری از آمینهای کوچک خاصیت بازی دارد.
واکنش برگشتپذیر نشان میدهد نباید آمین را مانند یک باز قوی کاملاً یونیده فرض کرد. مقدار یونش و قدرت بازی به ساختار آمین، حلال و دما وابسته است. در مقایسههای دبیرستانی، حضور جفتالکترون در دسترس اصل مهم است؛ اما نمیتوان فقط با شمردن کربنها و بدون داده یا شناخت اثرهای ساختاری، ترتیب قدرت بازی همه آمینها را قطعی تعیین کرد.
- آمین با جفتالکترون نیتروژن، H⁺ میپذیرد
- پس از پروتونگیری، یون آلکیلآمونیوم تشکیل میشود
- تولید OH⁻ در آب نشانه رفتار بازی است
- بیشتر آمینها را نباید باز کاملاً یونیده در نظر گرفت
واکنش آمین با اسید، نمک آمونیوم میسازد
آمین با یک اسید میتواند پروتون بگیرد و به یون آمونیوم آلی تبدیل شود. برای مثال واکنش متیلآمین و هیدروکلریک اسید را میتوان به صورت CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃⁺Cl⁻ نوشت. در این فرآورده، CH₃NH₃⁺ کاتیون متیلآمونیوم و Cl⁻ آنیون همراه است؛ بارهای مثبت و منفی نسبت یکبهیک نمک را میسازند.
پروتونگیری جفتالکترون ناپیوندی را وارد پیوند N–H میکند و بار رسمی نیتروژن مثبت میشود. تبدیل آمین خنثی به نمک یونی معمولاً انحلالپذیری آن را در آب افزایش میدهد، بهویژه وقتی بخش هیدروکربنی خیلی بزرگ نباشد. افزودن یک باز قوی به نمک آمونیوم میتواند پروتون را بگیرد و آمین خنثی را دوباره آزاد کند؛ این رفتار نمونهای از تعادل اسید و باز است.
- آمین خنثی + اسید → نمک آمونیوم آلی
- پس از گرفتن H⁺، بار نیتروژن مثبت میشود
- آنیون اسید در نمک نقش یون همراه دارد
- یونیشدن معمولاً بر انحلالپذیری در آب اثر میگذارد
پیوند هیدروژنی و اندازه بخش کربنی، خواص فیزیکی را تغییر میدهند
آمینهای نوع اول و دوم پیوند N–H دارند و میتوانند میان مولکولهای خود پیوند هیدروژنی برقرار کنند. آمین نوع سوم پیوند N–H ندارد، بنابراین دهنده پیوند هیدروژنی نیست؛ بااینحال جفتالکترون نیتروژن آن میتواند در برهمکنش با آب نقش پذیرنده داشته باشد. پیوند هیدروژنی N–H معمولاً از نمونه O–H ضعیفتر است، پس مقایسه نقطه جوش باید میان مولکولهایی با جرم و شکل نزدیک انجام شود.
آمینهای کوچک به دلیل قطبیت و برهمکنش با آب، انحلالپذیری قابلتوجهی دارند. با بلندترشدن زنجیر هیدروکربنی، سهم ناقطبی و آبگریز مولکول بیشتر و انحلالپذیری معمولاً کمتر میشود. بنابراین برای پیشبینی یک خاصیت، هم نوع آمین و وجود N–H و هم اندازه و شکل بخش کربنی را در نظر بگیر؛ یک قاعده تنها برای همه مقایسهها کافی نیست.
- نوع اول و دوم میتوانند دهنده پیوند هیدروژنی باشند
- نوع سوم با آب پذیرنده پیوند هیدروژنی است
- بخش کربنی بزرگتر معمولاً انحلالپذیری در آب را کاهش میدهد
- جرم مولی و شکل مولکول نیز بر نقطه جوش اثر دارند
مثال حلشده: ساختار، نوع آمین و فرآورده اسیدی را تعیین کن
ترکیب CH₃CH₂NHCH₃ را بررسی کن. نیتروژن مستقیماً به دو گروه کربنی، یعنی یک گروه اتیل و یک گروه متیل، و نیز به یک هیدروژن متصل است؛ پس ترکیب آمین نوع دوم و نام ساده آن اتیلمتیلآمین است. وجود N–H باعث میشود مولکول بتواند میان نمونههای خود دهنده پیوند هیدروژنی باشد.
در واکنش با HCl، جفتالکترون نیتروژن یک پروتون میپذیرد: CH₃CH₂NHCH₃ + HCl → [CH₃CH₂NH₂CH₃]⁺Cl⁻. اکنون نیتروژن چهار پیوند و بار رسمی مثبت دارد. نسبت استوکیومتری آمین به HCl یکبهیک است؛ بنابراین 0.20 mol از این آمین برای پروتونگیری کامل نظری به 0.20 mol HCl نیاز دارد و 0.20 mol نمک میسازد.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: سه ساختار CH₃CH₂NH₂، (CH₃)₂NH و (CH₃)₃N را بهترتیب نوعبندی کن و بگو کدامیک میان مولکولهای خالص خود میتواند دهنده پیوند هیدروژنی باشد. ساختار نخست یک گروه کربنی روی نیتروژن دارد و نوع اول است؛ دومی با دو گروه کربنی نوع دوم و سومی با سه گروه کربنی نوع سوم است. دو ساختار نخست پیوند N–H دارند و میتوانند دهنده پیوند هیدروژنی باشند، اما تریمتیلآمین چنین پیوندی ندارد.
هر سه ترکیب جفتالکترون ناپیوندی نیتروژن دارند و میتوانند در واکنش اسیدـباز پروتون بگیرند. برای نمونه (CH₃)₃N به (CH₃)₃NH⁺ تبدیل میشود. مسیر مطمئن حل این است: ابتدا اتصالهای نیتروژن را رسم یا بازخوانی کن، گروههای کربنی را بشمار، وجود N–H را جداگانه بررسی کن و برای واکنش با اسید، یک H⁺ و یک بار مثبت به نیتروژن بیفزا.
- نوع آمین را از تعداد گروههای کربنی روی N تعیین کن
- وجود N–H را برای توانایی اهدای پیوند هیدروژنی بررسی کن
- جفتالکترون نیتروژن مبنای پذیرش پروتون است
- در یون آمونیوم آلی، نیتروژن معمولاً چهار پیوند و بار مثبت دارد
- فرمول آمین، یون حاصل و آنیون همراه را از نظر بار کنترل کن
برای تحلیل آمینها، نیتروژن را پیدا کن و گروههای کربنی متصل به آن را بشمار: یک، دو و سه گروه بهترتیب آمین نوع اول، دوم و سوم میسازند. سپس وجود پیوند N–H را برای بررسی توانایی اهدای پیوند هیدروژنی کنترل کن. جفتالکترون ناپیوندی نیتروژن میتواند H⁺ بپذیرد؛ ازاینرو آمین در آب رفتار بازی دارد و با اسید به نمک آمونیوم آلی تبدیل میشود. در هر تمرین، پس از پروتونگیری یک H به نیتروژن اضافه کن، بار مثبت کاتیون و بار آنیون همراه را بنویس و نسبت مولی یکبهیک آمین و اسید تکپروتونی را فقط در شرایط واکنش کامل به کار ببر.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.