Amine

Definition und Einteilung

Amine sind organische Verbindungen, die sich von Ammoniak (NH₃) ableiten: Ein, zwei oder drei Wasserstoffatome sind durch Organylgruppen ersetzt, also durch Alkyl- oder Arylgruppen. Das Stickstoffatom besitzt dabei drei einfach gebundene Substituenten.

• Primäre Amine besitzen eine Organylgruppe: R–NH₂, beispielsweise Methylamin CH₃–NH₂.
• Sekundäre Amine besitzen zwei Organylgruppen: R–NH–R, beispielsweise Dimethylamin (CH₃)₂NH.
• Tertiäre Amine besitzen drei Organylgruppen: NR₃, beispielsweise Trimethylamin (CH₃)₃N.

Sind bei sekundären oder tertiären Aminen zwei Reste miteinander verbunden, kann ein Ring entstehen, etwa beim sekundären cyclischen Amin Piperidin. Verbindungen mit zwei Aminogruppen heißen Diamine; ein Beispiel für ein cyclisches Diamin ist Piperazin. Gesättigte cyclische Amine ohne C-C-Doppelbindungen im Ring verhalten sich wie nicht-cyclische Amine. Ist das an Stickstoff gebundene C-Atom Teil einer C-C-Doppelbindung, wie im Ethenamin, können tautomere Formen auftreten.

Ein Stickstoffatom mit einer von einer Carbonsäure abgeleiteten Acylgruppe gehört zu einem Amid, nicht zu einem Amin. Quartäre Ammoniumverbindungen tragen vier Organylgruppen am positiv geladenen Stickstoff, etwa Tetramethylammoniumchlorid. Sie sind ebenfalls keine Amine, sondern eine eigene Verbindungsklasse. Amine können durch Alkylierung in solche Verbindungen überführt werden.

Benennung und natürliche Vorkommen

Einfache Amine werden oft radikofunktionell benannt: Vor dem Suffix „-amin“ stehen die Namen der Alkylgruppen, beispielsweise Methylamin, Diisopropylamin oder Triethylamin. Die systematische IUPAC-Nomenklatur verwendet substitutive Namen: Methanamin, N-(Propan-2-yl)propan-2-amin und N,N-Diethylethanamin. Hat die Aminogruppe nicht die höchste Priorität unter den funktionellen Gruppen, wird „Amino-“ mit einem Positionszahl-Lokanten verwendet, zum Beispiel 4-Aminobutansäure.

Natürlich vorkommende Amine in Pflanzen, Tieren und Menschen heißen biogene Amine. Sie können durch Decarboxylierung aus Aminosäuren entstehen. Histamin und Serotonin wirken als Gewebshormone und entstehen aus Histidin beziehungsweise Tryptophan. Dopamin und Noradrenalin sind primäre aliphatische Katecholamine und Neurotransmitter-Substanzen; Adrenalin ist im Vergleich zu Noradrenalin zusätzlich am Stickstoff methyliert und daher ein sekundäres aliphatisches Amin. Purin und Pyrimidin sind heterocyclische Amine und als Nucleinbasen Bestandteile der Nucleoside in der DNA.

Aminosäuren sind weder Amine noch Carbonsäuren: Sie enthalten zwar die funktionellen Gruppen beider Verbindungsklassen, zeigen aber nicht deren typische Eigenschaften.

Chemische, physikalische und physiologische Eigenschaften

Aliphatische Amine sind wie Ammoniak Basen. Ihr freies Elektronenpaar am Stickstoff kann ein Proton aufnehmen. Für ein primäres Amin beschreibt dies das Gleichgewicht R–NH₂ + HX ⇌ R–NH₃⁺ + X⁻. Die Basenstärke wird durch den pKᴮ-Wert des Amins oder den pKˢ-Wert des zugehörigen Ammoniumkations ausgedrückt. Weil die gebildeten Ammoniumkationen meist besser wasserlöslich sind als die Amine, lassen sich Amine durch Extraktion mit wässriger Salzsäure von nichtbasischen organischen Stoffen abtrennen.

Alkylgruppen erhöhen durch ihren +I-Effekt die Elektronendichte am Stickstoff. Unter wasserfreien Bedingungen steigt die Basizität daher: Ammoniak < primär < sekundär < tertiär. In Wasser behindert die zunehmende Substitution jedoch die Hydratisierung; deshalb gilt in wässriger Lösung: tertiär < primär < sekundär. Die Werte lauten: Ammoniak pKˢ = 9,25 und pKᴮ = 4,75; Methylamin 10,6 und 3,4; Dimethylamin 10,8 und 3,2; Trimethylamin 9,8 und 4,2.

Aromatische Amine sind deutlich schwächer basisch als Ammoniak, weil das freie Elektronenpaar in das aromatische Ringsystem delokalisiert wird. Anilin hat pKᴮ = 9,37. Elektronenabziehende Gruppen wie die Nitrogruppe verringern die Basizität weiter. Heterocyclische Amine besitzen je nach Ringsystem unterschiedliche Eigenschaften: Piperidin ähnelt einem sekundären aliphatischen Amin, Pyridin dagegen ist ein aromatisches heterocyclisches Amin mit eigenen Eigenschaften.

Monomethylamin, Dimethylamin, Trimethylamin und Ethylamin sind bei Raumtemperatur gasförmig; weitere Homologe sind flüssig, Decylamin ist fest. Anilin ist flüssig, 1-Naphthylamin und 2-Naphthylamin sind fest. Amine sind wegen Polarität und Basizität besser wasserlöslich als gleich große Kohlenwasserstoffe; mit längeren Alkylketten sinkt die Löslichkeit, aromatische Amine sind nicht wasserlöslich. Flüssige primäre und sekundäre Amine bilden Wasserstoffbrücken und haben dadurch höhere Siedepunkte als entsprechende Kohlenwasserstoffe.

Gasförmige aliphatische Amine reizen Augen und Atemwege, flüssige Alkylamine können die Haut verätzen. Höhere Konzentrationen können Blutdrucksteigerung und kurzzeitige Krämpfe verursachen. Aromatische Amine sind weniger reizend, aber deutlich giftiger, beispielsweise Anilin. Viele Amine riechen ammoniakartig, fischig oder faulig. Sie können beim anaeroben Proteinabbau oder bei der Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen. Citronensäure protoniert Amine zu Citraten und kann so Fischgeruch mindern.

Herstellung und Entstehung

Eine direkte Alkylierung von Ammoniak mit Alkylhalogeniden liefert keine gezielte Aminsynthese: Es entstehen Gemische, weil zunächst gebildete primäre Amine weiter zu sekundären und tertiären Aminen sowie schließlich zu quartären Ammoniumsalzen alkyliert werden.

Primäre Amine können gezielt über die Gabriel-Synthese hergestellt werden: Phthalimid reagiert mit einem Alkylhalogenid; anschließend setzt Hydrolyse mit Natronlauge oder besser Hydrazinolyse mit Hydrazin das primäre Amin frei. Weitere Wege sind die Umsetzung von Alkylhalogeniden zu Alkylaziden mit Natriumazid und deren Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid, die Bildung eines Nitrils mit Natriumcyanid und dessen Reduktion unter Kettenverlängerung sowie der Hofmann-Abbau von Carbonsäureamiden unter Verkürzung um ein Kohlenstoffatom. Die Curtius-Reaktion liefert primäre Amine über den Abbau eines Acylhydrazids ebenfalls unter Kettenverkürzung.

Sekundäre Amine entstehen aus einem primären Amin R′–NH₂ und einem Aldehyd R–CH=O: Zuerst bildet sich das Imin R–CH=N–R′, danach wird dessen Doppelbindung hydriert. Tertiäre Amine können mit der Leuckart-Wallach-Reaktion hergestellt werden. Aromatische Amine wie Anilin oder Toluidin entstehen durch Nitrierung und anschließende Reduktion.

Technisch werden Ammoniak und Alkohole zur Alkoholaminierung umgesetzt; dabei entstehen etwa Methyl- und Ethylamin, die getrennt werden müssen. Auch Aldehyde oder Ketone reagieren mit Ammoniak, beispielsweise zu Isopropylaminen. Nitrilreduktionen liefern Fettamine; Epoxide reagieren großtechnisch mit Aminen oder Ammoniak zu Ethanolaminen und Isopropanolaminen. Die Nitrierung von Alkanen mit anschließender Reduktion sowie die Hydroaminierung von Olefinen haben geringere technische Bedeutung. Biologisch entstehen Amine bei Abbau- und Verwesungsprozessen durch Decarboxylierung von Aminosäuren.

Reaktionen, Anwendungen und Nachweis

Mit salpetriger Säure reagieren Amine je nach Typ unterschiedlich. Primäre aliphatische und aromatische Amine bilden Diazoniumsalze, die für weitere Synthesen genutzt werden. Sekundäre Amine bilden mit nitrosierenden Agentien wie salpetriger Säure, Stickstoffoxiden oder Nitriten vor allem im sauren Milieu Nitrosamine. Da sekundäre Amine in Nahrungsmitteln vorkommen und Nitrosamine cancerogene Wirkung haben, ist diese Reaktion bedeutsam. Tertiäre aliphatische Amine können langsam unter Abspaltung einer Alkylgruppe zu Nitrosaminen reagieren; tertiäre aromatische Amine bilden am aromatischen Ring Nitrosoverbindungen.

Aromatische Amine sind elektronenreiche Reaktionspartner bei elektrophilen aromatischen Substitutionen. Amine reagieren außerdem bei nukleophilen Substitutionen, etwa bei der Bildung von Carbonsäureamiden, Carbonsäureimiden, Lactamen und Iminen. Sie können als Schutzgruppen für Carbonylverbindungen oder als chirale Auxiliare dienen. Voluminöse sekundäre oder tertiäre Amine werden bei Eliminierungen als basische, aber nicht nucleophile Protonenakzeptoren verwendet. Diamine und Triamine dienen häufig als Liganden in der Komplexchemie.

Aromatische Amine werden zur Herstellung von Azofarbstoffen eingesetzt. Weitere Anwendungen sind Agro- und Pharmachemikalien, Tenside, Beschichtungen und Schmierstoffe, Katalysatoren in der Gießereitechnik und bei der Polyurethanherstellung sowie Korrosionsinhibitoren und die Gaswäsche in Raffinerien und Kraftwerken.

Ein Natrium-Aufschluss mit Lassaigne-Probe kann Stickstoff als Cyanid durch Berliner Blau nachweisen; bei gleichzeitigem Schwefel wird Thiocyanat mit Eisen(III)-chlorid nachgewiesen. Diese Proben sind nicht spezifisch für Amine. Der Geruch ist ebenfalls kein ausreichender Nachweis. Die Hinsberg-Trennung bestimmt den Substitutionsgrad: Tertiäre Amine und quartäre Ammoniumsalze bilden keine Sulfonamide, Sulfonamide sekundärer Amine sind nicht alkalilöslich, die primärer Amine dagegen alkalilöslich. Unbekannte Amine werden massenspektrometrisch oder über Derivate mit charakteristischem Schmelzpunkt identifiziert; bei tertiären Aminen empfiehlt sich das Pikrat. HPLC/MS trennt und quantifiziert primäre, sekundäre und tertiäre Amine ohne Derivatisierung. Bei gleicher molarer Masse, etwa Diethylamin und Butylamin, werden Standardsubstanzen zur Kalibrierung benötigt.