Amine und Aminogruppe
Wer in Dortmund einen Fischstand besucht, riecht es sofort: Frischer Fisch riecht kaum, alter Fisch dagegen streng „fischig“. Verantwortlich sind Amine wie Trimethylamin. Ein Spritzer Zitronensaft nimmt den Geruch fast weg. Wie passt das zusammen? Am Ende dieser Seite können Sie es erklären.
Aufbau und Einteilung der Amine
Amine können Sie sich als Abkömmlinge des Ammoniaks $\mathrm{NH_3}$ vorstellen: Ein oder mehrere H-Atome sind durch Alkylgruppen ersetzt. Die funktionelle Gruppe ist die Aminogruppe $-\mathrm{NH_2}$ (bei sekundären und tertiären Aminen die Gruppe $>\mathrm{NH}$ bzw. $-\mathrm{N}<$).
Das Stickstoff-Atom hat fünf Außenelektronen. Drei Außenelektronen bilden Elektronenpaarbindungen, die zwei übrigen Elektronen bilden ein freies Elektronenpaar. Nach dem EPA-Modell stoßen sich die vier Elektronenpaare ab: Die Moleküle sind trigonal-pyramidal gebaut, wie Ammoniak. Das freie Elektronenpaar ist der Schlüssel zu den meisten Eigenschaften der Amine.
Benennung: Man hängt die Endung „-amin“ an den Namen der Alkylgruppe (Methylamin, Ethylamin) oder an den Namen des Alkans (Propan-2-amin). Bei sekundären und tertiären Aminen werden die Gruppen aufgezählt: Ethylmethylamin, Trimethylamin.
Methylamin ($\mathrm{CH_3NH_2}$) ist das einfachste primäre Amin. a) Zeichnen Sie die Strukturformel mit freiem Elektronenpaar am Stickstoff. b) Nennen Sie je ein…
Methylamin ($\mathrm{CH_3NH_2}$) ist das einfachste primäre Amin.
- a) Zeichnen Sie die Strukturformel mit freiem Elektronenpaar am Stickstoff.
- b) Nennen Sie je ein Beispiel für ein sekundäres und ein tertiäres Amin mit Name und Formel.
Amine als Basen
Das freie Elektronenpaar am Stickstoff-Atom kann ein Proton $\mathrm{H^+}$ aufnehmen. Nach Brønsted ist ein Teilchen, das Protonen aufnimmt, eine Base. Amine sind also Protonenakzeptoren, so wie Ammoniak.
Mit Wasser (alkalische Reaktion):
$$\mathrm{CH_3NH_2 + H_2O \rightleftharpoons CH_3NH_3^+ + OH^-}$$Methylamin nimmt ein Proton vom Wassermolekül auf. Es entstehen das Methylammonium-Ion und ein Hydroxid-Ion. Das Gleichgewicht liegt weit links, daher sind Amine schwache Basen. Sie erkennen die Basenwirkung am pH-Wert der Lösung.
Mit Säuren (Salzbildung): Bei ausreichend Säure reagiert das Amin vollständig, zum Beispiel mit Salzsäure:
$$\mathrm{CH_3CH_2NH_2 + HCl \longrightarrow CH_3CH_2NH_3^+ + Cl^-}$$Das Salz heißt Ethylammoniumchlorid. Es ist ein Ionenkristall. Ionen werden von Wassermolekülen umhüllt (Ion-Dipol-Wechselwirkung), deshalb löst sich das Salz meist besser in Wasser als das Amin. Gibt man starke Lauge dazu, wird das Amin wieder freigesetzt, denn $\mathrm{OH^-}$ ist die stärkere Base.
Methylamin löst sich in Wasser mit alkalischer Reaktion. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung von Methylamin mit Wasser. b) Erklären Sie mit der Brønsted-Theorie,…
Methylamin löst sich in Wasser mit alkalischer Reaktion.
- a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung von Methylamin mit Wasser.
- b) Erklären Sie mit der Brønsted-Theorie, warum Methylamin eine Base ist.
Ethylamin reagiert mit Salzsäure. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und benennen Sie das entstehende Salz. b) Erklären Sie, warum das Salz besser wasserlöslich…
Ethylamin reagiert mit Salzsäure.
- a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und benennen Sie das entstehende Salz.
- b) Erklären Sie, warum das Salz besser wasserlöslich ist als das Amin.
Wie stark ist die Base? Rechnen mit pH und $K_B$
Aus dem pH-Wert einer Aminlösung erhalten Sie die Basenstärke. Sie brauchen $\mathrm{pH + pOH = 14}$ und das MWG für die Reaktion mit Wasser. Das Wasser hat eine praktisch konstante Konzentration und steckt in $K_B$:
$$K_B = \frac{c(\mathrm{RNH_3^+})\cdot c(\mathrm{OH^-})}{c(\mathrm{RNH_2})}$$Eine Lösung von Methylamin ($c = 0{,}10\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$) hat einen $\mathrm{pH}$-Wert von $11{,}8$. a) Berechnen Sie $c(\mathrm{OH^-})$ und den Anteil der…
Eine Lösung von Methylamin ($c = 0{,}10\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$) hat einen $\mathrm{pH}$-Wert von $11{,}8$.
- a) Berechnen Sie $c(\mathrm{OH^-})$ und den Anteil der protonierten Moleküle.
- b) Berechnen Sie die Basenkonstante $K_B$ von Methylamin. Nehmen Sie dabei näherungsweise an, dass die Gleichgewichtskonzentration der Base der Ausgangskonzentration entspricht ($c(\mathrm{CH_3NH_2}) \approx 0{,}10\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$).
Neutralisation von Salzsäure mit einem Amin
Reagiert eine starke Säure mit einer schwachen Base, ist der Äquivalenzpunkt erreicht, wenn $n(\mathrm{H_3O^+}) = n(\mathrm{Base})$ gilt. Am Äquivalenzpunkt liegt nur das Salz vor, zum Beispiel Methylammoniumchlorid. Das Methylammonium-Ion ist die korrespondierende Säure der schwachen Base und gibt Protonen an Wasser ab:
$$\mathrm{CH_3NH_3^+ + H_2O \rightleftharpoons CH_3NH_2 + H_3O^+}$$Der pH-Wert am Äquivalenzpunkt ist daher kleiner als 7. Der Indikator muss in diesem Bereich umschlagen: Methylrot ist geeignet, Phenolphthalein nicht.
Methylamin ($\mathrm{p}K_\mathrm{B} = 3{,}36$) wird als Base zur Neutralisation eingesetzt. $20{,}0\,\text{mL}$ einer Salzsäure (…
Methylamin ($\mathrm{p}K_\mathrm{B} = 3{,}36$) wird als Base zur Neutralisation eingesetzt. $20{,}0\,\text{mL}$ einer Salzsäure ($c = 0{,}100\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$) werden mit Methylamin-Lösung ($c = 0{,}100\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$) titriert.
- a) Berechnen Sie das Volumen der Methylamin-Lösung am Äquivalenzpunkt.
- b) Begründen Sie, ob der $\mathrm{pH}$-Wert am Äquivalenzpunkt kleiner, gleich oder größer als $7$ ist.
- c) Wählen Sie begründet zwischen Methylrot (Umschlag $\mathrm{pH}$ $4{,}4$–$6{,}2$) und Phenolphthalein (Umschlag $\mathrm{pH}$ $8{,}2$–$10$) als Indikator.
Zwischenmolekulare Wechselwirkungen und Siedetemperaturen
Wie hoch die Siedetemperatur eines Stoffes liegt, hängt davon ab, wie stark die Teilchen in der Flüssigkeit zusammenhalten. Drei Faktoren sind wichtig: die Größe der Moleküle (van-der-Waals-Kräfte), die Polarität (Dipol-Dipol-Kräfte) und die Möglichkeit zu Wasserstoffbrücken.
Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen einem stark positivierten H-Atom (gebunden an N, O oder F) und einem freien Elektronenpaar eines anderen Moleküls. Primäre und sekundäre Amine besitzen N–H-Bindungen und ein freies Elektronenpaar. Tertiäre Amine haben kein N–H und können nur Wasserstoffbrücken annehmen, keine ausbilden. Die Zahl der N–H-Bindungen am N-Atom beträgt bei primären Aminen 2, bei sekundären 1 und bei tertiären 0. Bei gleicher Summenformel, etwa $\mathrm{C_3H_9N}$, sinkt die Siedetemperatur daher von primär (Propylamin) über sekundär (Ethylmethylamin) zu tertiär (Trimethylamin).
| Stoff | $M$ in g/mol | Siedetemperatur | stärkste Wechselwirkung |
|---|---|---|---|
| Ethan | 30 | $-89\,°\mathrm{C}$ | van-der-Waals |
| Ethylamin | 45 | $17\,°\mathrm{C}$ | N–H···N-Brücken |
| Ethanol | 46 | $78\,°\mathrm{C}$ | O–H···O-Brücken |
Ethylamin und Ethanol haben fast dieselbe molare Masse. Der Unterschied kommt von der Elektronegativität: Sauerstoff ($\approx 3{,}4$) zieht stärker als Stickstoff ($\approx 3{,}0$). Die O–H-Bindung ist polarer, die Brücken sind stärker, die Siedetemperatur ist höher.
Gegeben sind Ethan ($M = 30\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, Siedetemperatur $-89\,{^\circ}\text{C}$), Ethylamin ($M = 45\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, Siedetemperatur…
Gegeben sind Ethan ($M = 30\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, Siedetemperatur $-89\,{^\circ}\text{C}$), Ethylamin ($M = 45\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, Siedetemperatur $17\,{^\circ}\text{C}$) und Ethanol ($M = 46\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, Siedetemperatur $78\,{^\circ}\text{C}$).
- a) Erklären Sie die Reihenfolge der Siedetemperaturen anhand der zwischenmolekularen Wechselwirkungen.
- b) Begründen Sie, warum Ethylamin niedriger siedet als Ethanol, obwohl beide Wasserstoffbrücken ausbilden können.
Von drei isomeren Aminen der Formel $\mathrm{C_3H_9N}$ siedet Propylamin bei $48\,{^\circ}\text{C}$, Ethylmethylamin bei $37\,{^\circ}\text{C}$ und Trimethylamin bei…
Von drei isomeren Aminen der Formel $\mathrm{C_3H_9N}$ siedet Propylamin bei $48\,{^\circ}\text{C}$, Ethylmethylamin bei $37\,{^\circ}\text{C}$ und Trimethylamin bei $3\,{^\circ}\text{C}$.
- a) Ordnen Sie jedem Amin die Klasse (primär, sekundär, tertiär) zu und zeichnen Sie die Formeln.
- b) Begründen Sie den Gang der Siedetemperaturen mit der Zahl der möglichen Wasserstoffbrücken und der Molekülform.
Aminosäuren, Amide und Polyamide
Was passiert, wenn ein Molekül eine Amino- und eine Carboxygruppe trägt? Das sind Aminosäuren, die Bausteine der Proteine. Die Carboxygruppe ($-\mathrm{COOH}$) gibt ein Proton ab, die Aminogruppe nimmt es auf. Im festen Zustand liegt Glycin als Zwitterion vor:
$$\mathrm{H_3N^+-CH_2-COO^-}$$Zwitterionen bilden ein Ionengitter. Das erklärt die hohe Schmelztemperatur von Glycin ($> 230\,°\mathrm{C}$) im Vergleich zu Essigsäure ($17\,°\mathrm{C}$), die aus Molekülen besteht und nur Wasserstoffbrücken bildet.
Amide: Kondensation von Säure und Amin
Eine Carbonsäure und ein Amin reagieren beim Erhitzen unter Wasserabspaltung (Kondensationsreaktion, wie die Estersynthese):
$$\mathrm{CH_3COOH + CH_3NH_2 \longrightarrow CH_3CO{-}NH{-}CH_3 + H_2O}$$Das Produkt ist N-Methylacetamid. Die Gruppe $-\mathrm{CO-NH-}$ heißt Amidbindung. Anders als Amine sind Amide nicht basisch: Das freie Elektronenpaar am N-Atom wird zur benachbarten C=O-Gruppe hingezogen und steht kaum noch zur Aufnahme eines Protons zur Verfügung.
Die Amidbindung ist die Verknüpfung in zwei wichtigen Stoffgruppen: In Proteinen heißt sie Peptidbindung (Aminosäuren sind verknüpft). In Polyamiden wie Nylon verbinden sich Dicarbonsäuren und Diamine zu langen Ketten, ein Beispiel für eine Polykondensation.
Aminosäuren tragen sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxygruppe. Glycin ($\mathrm{H_2N-CH_2-COOH}$) liegt im festen Zustand als Zwitterion vor. a) Zeichnen Sie…
Aminosäuren tragen sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxygruppe. Glycin ($\mathrm{H_2N-CH_2-COOH}$) liegt im festen Zustand als Zwitterion vor.
- a) Zeichnen Sie die Zwitterionenform von Glycin.
- b) Erklären Sie die hohe Schmelztemperatur ($> 230\,{^\circ}\text{C}$) von Glycin im Vergleich zu Essigsäure ($17\,{^\circ}\text{C}$).
Bei der Reaktion von Essigsäure mit Methylamin bildet sich beim Erhitzen N-Methylacetamid. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und kennzeichnen Sie die entstehende…
Bei der Reaktion von Essigsäure mit Methylamin bildet sich beim Erhitzen N-Methylacetamid.
- a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und kennzeichnen Sie die entstehende Amidbindung.
- b) Erklären Sie, warum Amide keine basischen Eigenschaften zeigen wie Amine.
- c) Stellen Sie einen Bezug zur Peptidbindung in Proteinen und zu Polyamiden (z. B. Nylon) her.