Amine – typische Reaktionen (Basiswissen)

Amine – typische Reaktionen (Basiswissen) Übung

• Formuliere die Wortgleichung für die Reaktion von $CH_3-NH_2$ mit $H_2O$.

  Tipps

  Überprüfe, durch wie viel Alkyl-Reste das Ammoniak-Molekül im vorgegebenen Amin substituiert ist.

  Stelle fest, um welche Alkyl-Reste es sich handelt.

  Lösung

  Das Ammoniak-Molekül ist einfach substituiert. Der Substituent, der Alkylrest, ist hier Methyl. Bei dem Amin $CH_3-NH_2$ handelt es sich somit um Methylamin. Entsprechend erhält man als Produkte das Methylammonium-Ion und das Hydroxid-Ion. Hydroxy gibt es auch. Aber das ist die organische funktionelle Gruppe, die man in Alkoholen antrifft.

• Systematisiere die Reaktionsteilnehmer einer Alkylierung von Aminen.

  Tipps

  Vergewissere dich, was man für die Alkylierung eines Amins als Reaktionspartner benötigt.

  Hilfsstoffe nehmen nicht an der Hauptreaktion teil.

  Lösung

  Wenn man in der Aufzählung Methylamin und Dimethylamin vorfindet, so ist klar, dass es sich bei der ersten Verbindung um ein Edukt, bei der zweiten um ein Produkt handelt. Denn es ist ja eine Alkyl-Gruppe, genauer eine Methyl-Gruppe, hinzugekommen. Das Methylierungsreagenz ist Chlormethan (auch Methylchlorid). Somit haben wir auch das zweite Edukt ermittelt. Als zweites Produkt entsteht Chlorwasserstoff. Damit er dem Reaktionsgemisch entzogen wird, verwendet man Pyridin als Hilfsstoff. Pyridin dient als Protonenfänger und verschiebt das chemische Gleichgewicht nach rechts.

• Bewerte die Reaktion von Methylamin mit Wasser nach Brönsted.

  Tipps

  Mach dir die Definitionen für Brönsted-Säuren und Brönsted-Basen klar.

  Erinnere dich an den Begriff des konjugierten Säure-Base-Paares.

  Lösung

  Die Reaktionsgleichung lautet:

  $CH_3-NH_2$ + $H_2O$$\:\longrightarrow\:$${CH_3-NH_3}^+$ + $OH^-$.

  Die Produkte heißen Methylammonium-Ion und Hydroxid-Ion.

  Nach Brönsted wissen wir, dass Teilchen, die Protonen liefern (Protonendonatoren), Säuren sind. Entsprechend sind Teilchen, die Protonen aufnehmen (Protonenakzeptoren), Basen.

  Damit kann man aus der Reaktionsgleichung herauslesen:

  • Protonendonatoren sind: $H_2O$ und ${CH_3-NH_3}^+$.

  Es handelt sich hier somit um Brönsted-Säuren.

  • Protonenakzeptoren sind: $CH_3-NH_2$ und $OH^-$.

  Es handelt sich hier somit um Brönsted-Basen.

  Säure-Base-Paare der Reaktion sind jeweils Teilchen, die sich nur durch ein Proton voneinander unterscheiden.

  • Erstes Säure-Base-Paar: ${CH_3-NH_3}^+$, $CH_3-NH_2$,

  • Zweites Säure-Base-Paar: $H_2O$, $OH^-$.

• Untersuche die Bromierung von Anilin.

  Tipps

  Substituenten führen zu einer bestimmten Orientierung des Zweitsubstituenten am Ring.

  Orientierung und Reaktionsgeschwindigkeit stehen in einem qualitativen Zusammenhang.

  Lösung

  Die Aminogruppe $NH_2-$ ist ein Substituent erster Ordnung. Das bedeutet zweierlei:

  • Die Geschwindigkeit der elektrophilen Substitution ist im Vergleich zum unsubstituierten Benzol-Ring erhöht.

  • Die Orientierung des Zweitsubstituenten erfolgt sowohl in 2- bzw. 6-Stellung als auch in 4-Stellung. Man spricht auch von ortho-para-Orientanten.

  Somit wird das Substitutionsmuster nur durch den Erstsubstituenten, die Aminogruppe, bestimmt. Die Reaktionsfreudigkeit der Verbindung ist so groß, dass kein Katalysator nötig ist. Das Substitutionsmuster ist nicht stochastisch und unabhängig von der Anwesenheit eines Katalysators.

• Benenne die Reaktion von Dimethylamin mit Wasser.

  Tipps

  Mach dir klar, welches Teilchen bei der Reaktion bewegt wird.

  Lösung

  Beginnen wir mit einem häufig auftretenden Verständnisproblem. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Atomkern, der ein einziges Proton enthält, und einer Elektronenhülle, die aus einem einzigen Elektron besteht. So verhält es sich zumindest mit dem häufigsten Wasserstoff-Isotop $^1_1H.$ Nach Entfernung des einzigen Außenelektrons (Valenzelektrons) bleibt ein einzelnes Proton übrig. Und das ist dann nichts anderes als ein Wasserstoff-Ion, also gilt:

  Proton = Wasserstoff-Ion.

  Fahren wir fort mit den falschen Antworten.

  Neutralisation ist die Reaktion einer Säure mit einer Base. Dabei entsteht Wasser. Ein Beispiel dafür ist die Reaktion von Natriumhydroxid mit Salzsäure:

  $NaOH\:+\:HCl\:\longrightarrow\:NaCl\:+\:H_2O$,

  in Ionenschreibweise:

  $Na^+\:+\:OH^-\:+H^+\:+Cl^-\:\longrightarrow\:Na^+\:+Cl^-+\:H_2O$.

  Da die Natrium-Ionen und die Chlorid-Ionen an der Reaktion nicht teilnehmen, kann man schreiben:

  $H^+\:+\:OH^-\:\longrightarrow\:H_2O$.

  Aus einem Proton und einem Hydroxid-Ion entsteht ein Wasser-Molekül.

  Eliminierung ist die Abspaltung eines kleinen Moleküls (keines Ions!). Ein Beispiel ist die Dehydratation von Ethanol:

  $CH_3-CH_2-OH\:\longrightarrow\:CH_2=CH_2\:+\:H_2O$

  Addition ist die Aufnahme eines kleinen Moleküls (und nicht die eines Ions!). Ein Beispiel ist die Reaktion von Ethin mit Chlorwasserstoff:

  $CH\:{\equiv}\:CH\:+HCl\:\longrightarrow\:CH_2=CHCl$.

  Deprotonierung bedeutet Abspaltung eines Protons von einem Teilchen. Ein Beispiel dafür ist die Dissoziation von Chlorwasserstoff ohne spezielle Beteiligung von Wasser-Molekülen:

  $HCl\:\longrightarrow\:H^+\:+\:Cl^-$.

  Protonierung heißt Aufnahme eines Protons durch ein Teilchen. Ein typisches Beispiel ist die Protonierung von Wasser unter Bildung von Oxonium-Ionen (Hydronium-Ionen):

  $H_2O\:+\:H^+\:\longrightarrow\:H_3O^+$.

  Richtige Lösung

  Natürlich handelt es sich um einen Protonenübergang. Das Proton verlässt das Wasser-Molekül und wird vom Methylamin-Molekül aufgenommen:

  $CH_3-NH_2\:+\:H_2O\:\longrightarrow\:CH_3-NH_3^+\:+\:OH^-$.

• Vergleiche die chemische Reaktivität von Amiden und Aminen.

  Tipps

  Die zentrale Rolle bei der Betrachtung spielt das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom.

  Eine Veränderung der Nucleophilie des Stickstoffatoms ist über eine mesomere Grenzstruktur für das Amid erklärbar.

  Lösung

  Reaktionsverhalten

  Wie Methylamin ist das Amin befähigt zur Protonierung durch Wasser.

  $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-NH_2$$\;+\;$$H_2O$$\;\longrightarrow\;$$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-NH_3^+$$\;+\;$$OH^-$.

  Die Lösung wird alkalisch durch die entstehenden Hydroxid-Ionen. Das Amid dagegen wird nicht protoniert und ist in der Lösung neutral. Auch Alkylierung und Acylierung sind für Amide nicht charakteristisch.

  Erklärung

  Bei der Protonierung, Alkylierung und Acylierung handelt es sich um elektrophile Reaktionen. Die Elektrophile sind $H^+$, ${CH_3}^+$ und $CH_3-CO^+$. Das freie Elektronenpaar macht die Amino-Gruppe ${-NH_2}$ des Amins zum Nucleophil.

  Für die Amid-Gruppe des Amids kann man eine weitere mesomere Grenzstruktur schreiben:

  $-C(=O)-NH-$$\;\longleftrightarrow\;$$-C(-O^-)=NH^+\!-$.

  Man sieht, dass am Stickstoffatom eine positive Ladung entstanden ist. Daher wird der elektrophile Angriff erschwert. Wir stellen fest: Amide sind weniger reaktionsfreudig als Amine.