Перейти к содержимому
Все уроки
Задание 1615 мин на разбор

Азотсодержащие органические соединения

Амины, аминокислоты и белки — блок, где почти всё решается двумя идеями: неподелённая пара азота отвечает за основность, а сочетание –NH₂ и –COOH даёт амфотерность. Разбираем ряд основности, цвиттер-ион и пептидную связь так, чтобы их было видно.

1Что спрашивают в задании 16

Задание 16 проверяет свойства азотсодержащих органических веществ: аминов, аминокислот и белков. Формулировки почти всегда одинаковы: «с какими веществами реагирует…», «выберите два вещества, с которыми взаимодействует анилин», «установите соответствие между веществом и реагентами». Значит, нужно уверенно держать в голове небольшой набор реакций.

Амины — основания (реагируют с кислотами и водой) → аминокислоты — амфотерны (реагируют и с кислотами, и со щелочами) → белки — гидролизуются и дают цветные качественные реакции
Три ключевых свойства, из которых собирается почти любой вариант задания 16.
–NH₂ — основная группа–COOH — кислотная группа–CO–NH– — пептидная связь–NO₂ — сырьё для аминов

2Амины: классификация и номенклатура

Амины — производные аммиака, в которых один, два или три атома водорода замещены углеводородными радикалами. Отсюда сразу две независимые классификации, и путать их нельзя.

ПризнакТипОбщий видПример
Число замещённых H в NH₃первичныеR–NH₂CH₃NH₂ метиламин
Число замещённых H в NH₃вторичныеR₂NH(CH₃)₂NH диметиламин
Число замещённых H в NH₃третичныеR₃N(CH₃)₃N триметиламин
Характер радикалапредельные (алифатические)CₙH₂ₙ₊₁NH₂C₂H₅NH₂ этиламин
Характер радикалаароматическиеC₆H₅–NH₂ и гомологиC₆H₅NH₂ анилин
CₙH₂ₙ₊₃N
Общая формула гомологического ряда предельных аминов — одна на все три типа.

Названия строят двумя способами: радикально-функциональным (метиламин, диэтиламин, метилэтиламин) и заместительным (метанамин). Для анилина в КИМ используют тривиальное название; систематически это фениламин.

Проверьте себя

Какое вещество является вторичным амином?

У CH₃–NH–CH₃ (диметиламин) с атомом азота связаны два углеводородных радикала и один атом водорода — это вторичный амин. Этиламин и анилин первичные, триметиламин третичный.

3Основные свойства аминов: главная идея задания

У атома азота есть неподелённая электронная пара — именно она принимает протон. Поэтому амины, как и аммиак, ведут себя как основания. Насколько сильные — зависит от того, что происходит с этой парой под влиянием соседних групп.

Шкала основности: почему метиламин сильнее аммиака, а анилин слабее

Нажмите на маркер шкалы или на название вещества — появится структурная формула, а стрелка покажет, куда смещается электронная плотность.

слабее основаниесильнее основание
CH₃NH₂+I

Фиолетовое облако у атома азота — неподелённая электронная пара. Чем она крупнее и ярче, тем доступнее для протона.

предельный первичный амин
Метиламин
pKb = 3,36

Метильная группа подталкивает электроны к азоту

Алкильный радикал проявляет положительный индуктивный эффект (+I): он смещает электронную плотность по σ-связи к атому азота. Пара становится «жирнее» и охотнее принимает протон.

С водой
CH₃NH₂ + H₂O ⇄ [CH₃NH₃]⁺ + OH⁻
С соляной кислотой
CH₃NH₂ + HCl → [CH₃NH₃]Cl
хлорид метиламмония

Вывод ряда: C₆H₅NH₂ < NH₃ < CH₃NH₂ < (CH₃)₂NH. Алкил отдаёт электроны азоту и усиливает основность, бензольное кольцо забирает пару и основность гасит.

Предельные амины хорошо растворимы в воде и дают щелочную среду: фенолфталеин в их растворе малиновеет, лакмус синеет. Анилин в воде почти нерастворим и индикатор не меняет — его основность слишком мала.

CH₃NH₂ + H₂O ⇄ [CH₃NH₃]⁺ + OH⁻
Водный раствор метиламина — слабое основание, среда щелочная.
CH₃NH₂ + HCl → [CH₃NH₃]Cl
С кислотами реагируют все амины, включая анилин: получаются соли — алкил(арил)аммониевые.
C₆H₅NH₂ + HCl → [C₆H₅NH₃]Cl
Соль анилина; при действии щёлочи анилин вытесняется обратно.
[C₆H₅NH₃]Cl + NaOH → C₆H₅NH₂ + NaCl + H₂O
Обратная реакция: более сильное основание вытесняет более слабое из его соли.

Предельные амины горят на воздухе, причём азот выделяется в виде простого вещества — это уравнение иногда просят составить.

4CH₃NH₂ + 9O₂ → 4CO₂ + 10H₂O + 2N₂
Горение метиламина. Проверьте баланс: 8 атомов N слева и справа, 4 молекулы N₂.
Проверьте себя

В каком ряду вещества расположены в порядке усиления основных свойств?

Бензольное кольцо оттягивает неподелённую пару азота в сопряжённую систему, поэтому анилин — самое слабое основание ряда. Метильная группа, наоборот, за счёт +I эффекта повышает электронную плотность на азоте, и метиламин сильнее аммиака.

4Получение аминов и особые свойства анилина

Ключевой способ получения ароматических аминов — восстановление нитросоединений. Реакцию восстановления нитробензола до анилина открыл Н. Н. Зинин в 1842 году, и она обязательна к знанию.

C₆H₅NO₂ + 3H₂ →(kat, t) C₆H₅NH₂ + 2H₂O
Реакция Зинина в промышленном варианте: каталитическое восстановление водородом.
C₆H₅NO₂ + 3Fe + 6HCl → C₆H₅NH₂ + 3FeCl₂ + 2H₂O
Лабораторный вариант — восстановление железом в кислой среде.
C₆H₅NO₂ + 3(NH₄)₂S → C₆H₅NH₂ + 3S + 6NH₃ + 2H₂O
Исторический вариант самого Зинина — сульфидом аммония.

Предельные амины получают алкилированием аммиака галогеналканами: второй моль аммиака связывает выделяющийся хлороводород.

CH₃Cl + 2NH₃ → CH₃NH₂ + NH₄Cl
Реакция идёт дальше — до вторичных и третичных аминов, поэтому в лаборатории получают смесь.

У анилина есть и вторая сторона: аминогруппа — сильный активирующий заместитель первого рода. Она повышает электронную плотность в орто- и пара-положениях кольца, поэтому анилин, в отличие от бензола, обесцвечивает бромную воду без всякого катализатора — сразу по трём положениям.

C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ + 3HBr
Качественная реакция на анилин: выпадает белый осадок 2,4,6-триброманилина.
  • Кольцо влияет на аминогруппу: неподелённая пара азота вступает в сопряжение с π-системой, её электронная плотность понижается, и основные свойства ослабевают по сравнению с аммиаком и предельными аминами.
  • Аминогруппа влияет на кольцо: она подаёт электронную плотность в орто- и пара-положения, облегчая реакции электрофильного замещения. Отсюда реакция с бромной водой без катализатора и сразу по трём положениям.
Проверьте себя

Анилин можно получить из бензола по цепочке:

Бензол нитруют смесью HNO₃ и H₂SO₄ до нитробензола, а затем восстанавливают до анилина — это и есть реакция Зинина. Прямое аминирование хлорбензола в школьном курсе не рассматривается.

5Аминокислоты: амфотерность и биполярный ион

Аминокислоты содержат сразу две группы: кислотную –COOH и основную –NH₂. Для белков важны только α-аминокислоты, у которых аминогруппа стоит при атоме углерода, соседнем с карбоксильным.

H₂N–CH(R)–COOH
Общая формула α-аминокислоты. Радикал R и определяет, какая это аминокислота.
НазваниеФормулаСистематическое названиеРадикал R
ГлицинH₂N–CH₂–COOHаминоэтановая (аминоуксусная) кислота–H
АланинCH₃–CH(NH₂)–COOH2-аминопропановая кислота–CH₃
СеринHO–CH₂–CH(NH₂)–COOH2-амино-3-гидроксипропановая кислота–CH₂OH
ЦистеинHS–CH₂–CH(NH₂)–COOH2-амино-3-меркаптопропановая кислота–CH₂SH

Из-за двух противоположных групп аминокислоты амфотерны. Причём протон карбоксильной группы переходит к собственной аминогруппе прямо внутри молекулы — образуется биполярный ион, или цвиттер-ион. От кислотности среды зависит, какая форма преобладает.

Глицин при разном pH: катион, цвиттер-ион и анион

Двигайте слайдер pH — структурная формула перестраивается, заряды подписываются, а внизу видно, куда частица поплывёт в электрическом поле.

pH = 6
кислаяpI ≈ 6щелочная
⁺H₃NCH₂COO⁻
Биполярный ион (цвиттер-ион)суммарный заряд 0

Протон карбоксильной группы переходит к собственной аминогруппе — внутренняя соль. Для глицина изоэлектрическая точка pI ≈ 6.

H₂N–CH₂–COOH ⇄ ⁺H₃N–CH₂–COO⁻
Именно поэтому аминокислоты — твёрдые нелетучие вещества с высокими температурами плавления, хорошо растворимые в воде: в кристалле они существуют как биполярные ионы.
Электрофорез: куда идёт частица
катод −
анод +

Частица не перемещается ни к одному из электродов.

Реакции амфотерности нужно уметь записывать в обе стороны — их спрашивают чаще всего в этом разделе.

H₂N–CH₂–COOH + HCl → [H₃N–CH₂–COOH]⁺Cl⁻
Как основание: аминогруппа принимает протон, образуется соль.
H₂N–CH₂–COOH + NaOH → H₂N–CH₂–COONa + H₂O
Как кислота: карбоксильная группа отдаёт протон, образуется соль натрия.
H₂N–CH₂–COOH + CH₃OH →(H₂SO₄, t) H₂N–CH₂–COOCH₃ + H₂O
Этерификация: со спиртами аминокислоты дают сложные эфиры.
2H₂N–CH₂–COOH + 2Na → 2H₂N–CH₂–COONa + H₂↑
С активными металлами и их оксидами реагирует карбоксильная группа.
Проверьте себя

С какими веществами реагирует аминоуксусная кислота: 1) NaOH, 2) HCl, 3) CH₃OH, 4) NaCl?

Со щёлочью реагирует карбоксильная группа, с соляной кислотой — аминогруппа, с метанолом идёт этерификация. С хлоридом натрия реакция не идёт: это соль сильной кислоты и сильного основания, и никакого условия необратимости здесь нет.

6Пептидная связь и белки

Аминокислоты соединяются друг с другом через реакцию поликонденсации: карбоксильная группа одной молекулы отдаёт группу –OH, аминогруппа другой — атом водорода, и они уходят молекулой воды. Возникающая связь –CO–NH– называется пептидной (амидной).

Соберите дипептид

Выберите две аминокислоты и нажмите «Образовать пептидную связь»: отщепится вода, а группа –CO–NH– подсветится фиолетовым.

Первая аминокислота (даёт группу –COOH)
Вторая аминокислота (даёт группу –NH₂)
Группы –OH и –H, которые уйдут, отмечены красным
H₂NCHHCOOHHNHCHCH₃COOH
Дипептид получен
глицилаланин

H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH(CH₃)–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O

Фиолетовым выделена пептидная (амидная) группа –CO–NH–. Название дипептида читается слева направо: остаток со свободной группой –NH₂ даёт основу «глицил-», а аминокислота со свободной группой –COOH сохраняет полное имя — «аланин».

H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH(CH₃)–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O
Образование дипептида глицилаланина. Обратный процесс — гидролиз пептида.

Из двух остатков получается дипептид, из трёх — трипептид, из многих — полипептид. Белки — природные полипептиды, построенные из α-аминокислот. Их строение описывают четырьмя уровнями.

СтруктураЧто этоЧем удерживается
Первичнаяпоследовательность аминокислотных остатков в цепипептидные (ковалентные) связи
Вторичнаяα-спираль или β-складчатый слойводородные связи между группами C=O и N–H
Третичнаяглобула или фибрилла — пространственная укладка спиралидисульфидные мостики –S–S–, ионные, водородные и гидрофобные взаимодействия
Четвертичнаяобъединение нескольких макромолекул в комплексте же нековалентные взаимодействия (пример — гемоглобин)

Разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур при сохранении первичной называют денатурацией. Её вызывают нагревание, концентрированные кислоты и щёлочи, спирт, ультрафиолет и особенно соли тяжёлых металлов — солями меди, свинца, ртути белок осаждается необратимо. Полный гидролиз белка (кислотный, щелочной или ферментативный) разрывает и первичную структуру, давая смесь α-аминокислот.

  • Фиолетовое с Cu(OH)₂ — биуретовая, белок (пептидные связи).
  • Ярко-синее с Cu(OH)₂ без нагревания — многоатомный спирт (глицерин), никакого белка.
  • Красный осадок Cu₂O при нагревании с Cu(OH)₂ — альдегид или глюкоза.
  • Жёлтое с концентрированной HNO₃ — ксантопротеиновая, ароматическое ядро в белке.
  • Фиолетовое с FeCl₃ — фенол, а не белок.
Проверьте себя

Какая реакция доказывает наличие в молекуле белка пептидных связей?

Фиолетовое окрашивание с гидроксидом меди(II) в щелочной среде дают именно пептидные связи, поэтому биуретовая реакция универсальна для белков. Ксантопротеиновая обнаруживает ароматические ядра и идёт не со всеми белками.

7Нуклеиновые кислоты и итоговая сборка

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономер которых называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из трёх фрагментов: азотистого основания, пятиатомного сахара и остатка фосфорной кислоты.

азотистое основание + пентоза (дезоксирибоза в ДНК, рибоза в РНК) + остаток H₃PO₄
Состав нуклеотида — этот перечень достаточно знать для задания 16.
ПризнакДНКРНК
Углеводдезоксирибоза C₅H₁₀O₄рибоза C₅H₁₀O₅
Азотистые основанияаденин, тимин, гуанин, цитозинаденин, урацил, гуанин, цитозин
Строениедвойная спираль из двух цепейчаще одна цепь
Функцияхранение наследственной информацииперенос информации и синтез белка

Цепи ДНК удерживаются друг около друга водородными связями по принципу комплементарности: аденин всегда напротив тимина (в РНК — урацила), гуанин — напротив цитозина. Отсюда правило Чаргаффа: количество аденина в ДНК равно количеству тимина, а гуанина — цитозина.

А — Т (две водородные связи)Г — Ц (три водородные связи)в РНК вместо Т — урацил У
  • Амины — органические основания: неподелённая пара азота принимает протон.
  • Ряд основности: C₆H₅NH₂ < NH₃ < CH₃NH₂ < (CH₃)₂NH — алкил усиливает, кольцо ослабляет.
  • Анилин получают восстановлением нитробензола (реакция Зинина) и узнают по белому осадку с бромной водой.
  • Аминокислоты амфотерны: реагируют и с HCl (по группе –NH₂), и с NaOH (по группе –COOH).
  • В растворе и в кристалле аминокислота существует как биполярный цвиттер-ион ⁺H₃N–CH₂–COO⁻.
  • Белки — полипептиды из α-аминокислот; пептидная связь –CO–NH– образуется с отщеплением воды.
  • Денатурация рушит вторичную и третичную структуры, гидролиз — первичную, до аминокислот.
  • Биуретовая реакция даёт фиолетовое окрашивание, ксантопротеиновая — жёлтое.
Логика раздела:пара на азотеосновностьамфотерностьпептид и белок

Теория закончилась — теперь руки

Понимание закрепляется только на задачах. Прорешайте тему в тренажёре, пока материал свежий: 30 задач с разбором каждого решения.

Перейти в тренажёр