Amine und Aminogruppe
Der Geruch von altem Fisch, der Duft von Heringslake und die Stoffe in manchen Medikamenten haben etwas gemeinsam: Sie enthalten Stickstoffverbindungen, die Amine. Wenn Sie Zitronensaft auf Fisch träufeln, verschwindet der Geruch deutlich. Warum hilft eine Säure gegen einen Geruch? Am Ende dieser Seite können Sie das mit der Aminogruppe erklären.
Aufbau und Einteilung der Amine
Amine leiten sich vom Ammoniak $\mathrm{NH_3}$ ab. Ersetzt man ein oder mehrere H-Atome durch Alkylreste, entsteht ein Amin. Die funktionelle Gruppe ist die Aminogruppe $-\mathrm{NH_2}$ bzw. allgemein das Stickstoffatom mit seinen Substituenten.
Das Stickstoffatom hat fünf Valenzelektronen. Drei davon bilden Elektronenpaarbindungen, zwei bilden ein freies Elektronenpaar. Nach dem EPA-Modell stoßen sich vier Elektronenpaare ab: Das Molekül ist trigonal-pyramidal gebaut, das freie Elektronenpaar zeigt zur vierten Ecke eines Tetraeders.
Die Einteilung richtet sich nach der Zahl der Alkylreste am Stickstoff (nicht wie bei den Alkanolen nach dem C-Atom):
| Klasse | Beispiel | Formel |
|---|---|---|
| primäres Amin | Methylamin | $\mathrm{CH_3-NH_2}$ |
| sekundäres Amin | Dimethylamin | $\mathrm{CH_3-NH-CH_3}$ |
| tertiäres Amin | Trimethylamin | $\mathrm{(CH_3)_3N}$ |
Benannt werden einfache Amine mit den Alkylresten und der Endung „-amin“ (Ethylamin) oder systematisch als Alkanamine (Ethanamin). Die Punkte über dem N in der Skizze stehen für das freie Elektronenpaar.
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: Reaktion mit Wasser und Säuren
Das freie Elektronenpaar am Stickstoff kann ein Proton $\mathrm{H^+}$ binden. Nach Brønsted ist ein Stoff, der Protonen aufnimmt, eine Base. Amine sind also – wie Ammoniak – Protonenakzeptoren.
Mit Wasser (Protonenübertragung, Gleichgewicht):
$$\mathrm{CH_3NH_2 + H_2O \rightleftharpoons CH_3NH_3^+ + OH^-}$$Es entstehen Methylammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen, die Lösung reagiert alkalisch. Das Gleichgewicht liegt weit links: Methylamin ist eine schwache Base.
Mit Säuren läuft die Reaktion vollständig ab, es entsteht ein Salz:
$$\mathrm{CH_3CH_2NH_2 + HCl \longrightarrow CH_3CH_2NH_3^+ + Cl^-}$$Das Salz heißt Ethylammoniumchlorid. Es besteht aus Ionen und ist daher gut wasserlöslich, während das Amin selbst nur mäßig löslich ist. Mit Lauge lässt sich das Amin aus seinem Salz wieder freisetzen (starke Base verdrängt schwache Base).
Damit löst sich das Rätsel vom Fisch: Die flüchtigen, übel riechenden Amine werden von der Säure im Zitronensaft zu nichtflüchtigen Ammoniumsalzen protoniert – der Geruch verschwindet.
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.
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 ($c(\mathrm{CH_3NH_2}) \approx 0{,}10\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$).
Zwischenmolekulare Wechselwirkungen und Siedetemperaturen
Betrachten Sie drei Stoffe mit ähnlicher molarer Masse:
| Stoff | $M$ in g/mol | Siedetemperatur | stärkste Wechselwirkung |
|---|---|---|---|
| Ethan | 30 | $-89\,°\mathrm{C}$ | Van-der-Waals-Kräfte |
| Ethylamin | 45 | $17\,°\mathrm{C}$ | Wasserstoffbrücken ($\mathrm{N-H\cdots N}$) |
| Ethanol | 46 | $78\,°\mathrm{C}$ | Wasserstoffbrücken ($\mathrm{O-H\cdots O}$) |
Die N–H-Bindung ist polar (Elektronegativität N: 3,0; H: 2,2). Das H-Atom trägt eine positive Teilladung und kann mit dem freien Elektronenpaar eines anderen Moleküls eine Wasserstoffbrücke bilden. Dafür muss ein H-Atom direkt am N (oder O) sitzen.
Die O–H-Bindung ist noch polarer (Elektronegativität O: 3,5), die Wasserstoffbrücken zwischen Alkanol-Molekülen sind daher stärker. Deshalb gilt: Ethan < Ethylamin < Ethanol.
Auch innerhalb der Amine hängt die Siedetemperatur vom Bau ab. Je mehr N–H-Bindungen vorhanden sind, desto mehr Wasserstoffbrücken können ausgebildet werden. Tertiäre Amine haben kein H am Stickstoff und können untereinander keine Wasserstoffbrücken bilden. Außerdem sind verzweigte, kompakte Moleküle kugelähnlicher, haben eine kleinere Oberfläche und damit schwächere Van-der-Waals-Kräfte.
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.
Aminogruppe in Aminosäuren und Amiden
Die Aminogruppe ist nicht nur Teil einfacher Amine. Zwei wichtige Verbindungsklassen entstehen, wenn sie mit der Carboxygruppe zusammentrifft.
Aminosäuren und Zwitterionen
Eine Aminosäure trägt eine basische Aminogruppe und eine saure Carboxygruppe. Im Molekül gibt die Carboxygruppe ein Proton an die Aminogruppe ab, es entsteht ein Zwitterion mit positiver und negativer Ladung:
$$\mathrm{H_2N-CH_2-COOH \;\rightleftharpoons\; {}^+H_3N-CH_2-COO^-}$$Im Feststoff liegt Glycin als Zwitterion vor. Zwischen den Teilchen wirken Ionenbindungen und Wasserstoffbrücken, ähnlich wie in einem Salz. Darum schmilzt Glycin erst über $230\,°\mathrm{C}$, während Essigsäure (molekular, nur Wasserstoffbrücken) schon bei $17\,°\mathrm{C}$ schmilzt.
Amide und Peptidbindung
Reagiert eine Carbonsäure mit einem Amin, entsteht unter Wasserabspaltung ein Amid – eine Kondensationsreaktion, analog zur Estersynthese:
$$\mathrm{CH_3COOH + CH_3NH_2 \longrightarrow CH_3CO-NH-CH_3 + H_2O}$$Die Gruppe $-\mathrm{CO-NH-}$ heißt Amidbindung. Das Produkt ist N-Methylacetamid (Ethansäure-N-methylamid).
Amide sind nicht basisch: Das freie Elektronenpaar am N ist mit der benachbarten C=O-Gruppe delokalisiert (Mesomerie) und steht nicht mehr zum Binden eines Protons zur Verfügung.
Dieselbe Bindung verknüpft Aminosäuren in Proteinen (dort heißt sie Peptidbindung) und Dicarbonsäuren mit Diaminen in Polyamiden wie Nylon.
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.
Titration einer Säure mit einem Amin
Methylamin ist eine schwache Base und kann wie jede Base zur Neutralisation einer Säure eingesetzt werden. Titriert man Salzsäure mit Methylamin-Lösung, gilt:
$$\mathrm{CH_3NH_2 + H_3O^+ \longrightarrow CH_3NH_3^+ + H_2O}$$Am Äquivalenzpunkt ist $n(\mathrm{CH_3NH_2}) = n(\mathrm{HCl})$. Dort liegt aber nicht Wasser vor, sondern eine Lösung von Methylammoniumchlorid. Das Methylammonium-Ion ist die konjugierte Säure der schwachen Base und gibt Protonen an Wasser ab:
$$\mathrm{CH_3NH_3^+ + H_2O \rightleftharpoons CH_3NH_2 + H_3O^+}$$Deshalb liegt der Äquivalenzpunkt bei einer Titration „starke Säure – schwache Base“ im sauren Bereich ($\mathrm{pH} < 7$). Der Indikator muss in diesem Bereich umschlagen.
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.
Auf einen Blick
-
Amine sind Alkylderivate des Ammoniaks; je nach Zahl der Alkylreste am N unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Amine. Das N-Atom hat ein freies Elektronenpaar, das Molekül ist trigonal-pyramidal.
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Amine sind schwache Basen (Protonenakzeptoren): $\mathrm{R-NH_2 + H_2O \rightleftharpoons R-NH_3^+ + OH^-}$. Mit Säuren bilden sie gut wasserlösliche Ammoniumsalze. $K_B$ folgt aus dem MWG mit $c(\mathrm{OH^-})$ aus dem pH-Wert.
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Siedetemperaturen: Ethan < Ethylamin < Ethanol. Primäre Amine bilden mehr Wasserstoffbrücken als sekundäre, tertiäre Amine untereinander keine.
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Aminosäuren liegen als Zwitterion vor. Amide entstehen aus Carbonsäure und Amin unter Wasserabspaltung und sind nicht basisch; dieselbe Bindung steckt in Peptiden, Proteinen und Polyamiden.
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Bei der Titration einer starken Säure mit einem Amin liegt der Äquivalenzpunkt bei $\mathrm{pH} < 7$; passend ist ein Indikator wie Methylrot.