Amine: Einteilung, Struktur und Basizität
Wie man Amine nach der Zahl der C-Substituenten am Stickstoff einteilt, warum ihr Stickstoff pyramidal gebaut ist und wie sich daraus Basizität und Protonierungszustand ergeben.
Das Wichtigste in Kürze
- Amine sind Abkömmlinge des Ammoniaks und werden nach der Zahl der direkt am Stickstoff gebundenen C-Atome in primär, sekundär und tertiär eingeteilt.
- Pyrrolidin, Diisopropylamin und N-Methylanilin sind sekundär, Trimethylamin und beide Piperazin-N in Levocetirizin tertiär, Cysteamin und 1-Phenylethylamin primär.
- Der Stickstoff aliphatischer Amine ist sp³-hybridisiert und trigonal-pyramidal gebaut, das freie Elektronenpaar besetzt eine Tetraederecke.
- Anilin (\(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) ca. 9,3) ist durch Delokalisierung des Elektronenpaars viel schwächer basisch als Ammoniak (\(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) ca. 4,7) und Methylamin (\(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) ca. 3,3).
- Mit jeder N-gebundenen Arylgruppe sinkt die Basizität: Triphenylamin < 9,10-Dihydroacridin < Tetrahydrochinolin < Piperidin.
- Aliphatische Amine liegen bei pH 7,4 überwiegend protoniert vor und bleiben in der wässrigen Phase, Anilin überwiegend unprotoniert, mit HCl bilden Amine Hydrochloride.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Amine sind Abkömmlinge des Ammoniaks, in denen Wasserstoffatome durch Kohlenstoffreste ersetzt sind. Fast jeder basische Arzneistoff trägt eine Aminogruppe, von Morphin bis Metoclopramid. Ihr Typ und ihre Basizität bestimmen, ob der Stoff im Körper geladen vorliegt, wie er sich verteilt und warum er als Hydrochlorid im Handel ist.
Einteilung der Amine
Die Einteilung folgt einer einzigen Frage: Wie viele Kohlenstoffatome sind direkt an den Stickstoff gebunden? Was weiter hinten im Molekül passiert, spielt keine Rolle. Ringatome zählen genauso wie offene Ketten.
Ein primäres Amin trägt einen C-Rest am Stickstoff (\(\ce{R-NH2}\)), ein sekundäres zwei (\(\ce{R2NH}\)), ein tertiäres drei (\(\ce{R3N}\)). Gezählt wird am Stickstoff, nicht am Kohlenstoff.
Diese Zählweise unterscheidet sich von der Einteilung der Alkohole oder der C-Atome in Alkanen. Dort entscheidet der Substitutionsgrad des Kohlenstoffs. Ein Amin mit einem verzweigten Rest bleibt deshalb primär, solange nur ein C-Atom am Stickstoff hängt. Ebenso wichtig ist die Grenze zum Amid: Ein Amid braucht eine Carbonylgruppe direkt am Stickstoff. Diisopropylamin trägt zwei Isopropylreste und keine C=O-Gruppe, es ist also ein sekundäres Amin.
Den Amintyp in einer Strukturformel sicher zu bestimmen, wird im Examen gerne gefragt. Du gehst jeden Stickstoff einzeln durch und zählst seine C-Nachbarn, auch in Ringen und an Arylgruppen.
| Verbindung | C-Nachbarn am N | Amintyp |
|---|---|---|
| Cysteamin (\(\ce{HS-CH2CH2-NH2}\)) | 1 | primär |
| 1-Phenylethylamin | 1 | primär, chiral, substituiertes Benzylamin |
| Diisopropylamin | 2 | sekundär |
| Pyrrolidin | 2 (Ring) | sekundär, cyclisch |
| N-Methylanilin | 2 (Phenyl, Methyl) | sekundär, aromatisch |
| Trimethylamin | 3 | tertiär, aliphatisch |
| N-Methyl-Tetrahydroisochinolin | 3 (2 Ring-C, Methyl) | tertiär |
In Arzneistoffen gilt dieselbe Regel. Dimethyltryptamin trägt am Seitenkettenende eine \(\ce{N(CH3)2}\)-Gruppe, also ein tertiäres Amin. Metoclopramid enthält eine tertiäre aliphatische Diethylaminogruppe. Im Piperazinring von Levocetirizin sind beide Stickstoffatome tertiär, denn jedes hat zwei Ring-C und einen weiteren Substituenten. Tris(2-aminoethyl)amin besitzt ein zentrales tertiäres Amin und drei endständige primäre Aminogruppen. Es ist basisch und dient wegen seiner vier Stickstoff-Donoren in der Analytik als Komplexbildner.
Struktur des Amin-Stickstoffs
Der Stickstoff eines aliphatischen Amins bildet drei σ-Bindungen und besitzt ein freies Elektronenpaar. Diese vier Elektronengruppen verteilen sich auf vier sp³-Hybridorbitale, die zu den Ecken eines Tetraeders zeigen. Das freie Elektronenpaar besetzt eine dieser Ecken.
Die Atome selbst bilden deshalb eine trigonale Pyramide: Der Stickstoff sitzt an der Spitze, die drei Substituenten bilden die Grundfläche. Man kann sich das wie ein Stativ vorstellen, dessen Kopf das Elektronenpaar trägt. Der Bindungswinkel liegt bei etwa 107°, etwas unter dem Tetraederwinkel von 109,5°. Das Elektronenpaar beansprucht mehr Raum als eine Bindung und drückt die Substituenten leicht zusammen.
Dimethylamin zeigt diesen Bau beispielhaft. Primäre, sekundäre und tertiäre aliphatische Amine sind gleichermaßen sp³-hybridisiert und nicht planar. Eine sp²-artige, abgeflachte Geometrie entsteht erst, wenn das Elektronenpaar mit einem π-System in Konjugation tritt, etwa im Amid oder teilweise im Anilin. Das freie Elektronenpaar ist der Ort, an dem Amine Protonen aufnehmen. Wie der Stickstoff dabei durchschwingen kann, behandelt die Einheit zur Inversion und Chiralität.
Basizität
Ein Amin ist umso basischer, je leichter sein Elektronenpaar ein Proton bindet. Gemessen wird das über den \(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) der Base oder den \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) der konjugierten Ammoniumsäure. Beide hängen über \(\mathrm{p}K_\mathrm{S} + \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14\) zusammen (siehe Säurekonstante). Kleiner \(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) oder großer \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) bedeutet starke Base.
| Verbindung | \(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) | \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) der Ammoniumform |
|---|---|---|
| Ammoniak | ca. 4,7 | ca. 9,3 |
| Methylamin | ca. 3,3 | ca. 10,7 |
| Dimethylamin | ca. 3,3 | ca. 10,7 |
| Trimethylamin | ca. 4 | ca. 10 |
| Anilin | ca. 9,3 | ca. 4,7 |
Alkylgruppen schieben über ihren +I-Effekt Elektronendichte zum Stickstoff. Deshalb sind Alkylamine stärker basisch als Ammoniak. Trimethylamin fällt in Wasser leicht zurück, weil sein Ammonium-Ion nur ein N-H trägt und schlechter hydratisiert wird.
Anilin ist dagegen eine deutlich schwächere Base als Ammoniak und Dimethylamin. Sein Elektronenpaar ist über Mesomerie in den Ring delokalisiert. Die Grenzformeln tragen negative Ladung in ortho- und para-Stellung. Bei der Protonierung ginge diese Stabilisierung verloren. Im Cyclohexylamin fehlt der Ring als Elektronenakzeptor, das Elektronenpaar bleibt am Stickstoff.
Daraus folgt die Grundregel: Aliphatische Amine sind stärker basisch als aromatische, primäre aliphatische stärker als primäre aromatische. Jede weitere Arylgruppe direkt am Stickstoff schwächt die Basizität weiter. Die Reihe Triphenylamin < 9,10-Dihydroacridin < 1,2,3,4-Tetrahydrochinolin < Piperidin zeigt das mit drei, zwei, einer und null N-gebundenen Arylgruppen.
Aliphatische Amine wie Piperidin, Pyrrolidin-Derivate oder Cyclohexylamin sind stärker basisch als Anilin. Entscheidend ist, ob am Stickstoff eine Arylgruppe hängt, und wie viele: Mit jeder Arylgruppe sinkt die Basizität.
Basizität an Strukturformeln ordnen
- Stickstoff suchen: Jeden Stickstoff einzeln betrachten, auch im Ring.
- Delokalisierung prüfen: Hängt eine Arylgruppe oder eine C=O-Gruppe am N? Ist das Elektronenpaar Teil eines aromatischen Sextetts wie im Pyrrol?
- Arylgruppen zählen: Mehr N-gebundene Arylgruppen bedeuten schwächere Base.
- Hybridisierung beachten: sp²-Stickstoff in Heteroaromaten und Oximen ist schwächer basisch als sp³-Stickstoff.
So erklärt sich, warum Piperidin als sekundäres aliphatisches Amin stärker basisch ist als Anilin, 4-Methoxyanilin und 4-Chloranilin. Es übertrifft auch Pyrrol, Harnstoff, Benzocain (p-Aminobenzoesäureethylester), Pyridazin und Acetophenonoxim. Triethylamin ist in Wasser eine stärkere Base als N,N-Diethylanilin. Im selben Molekül gilt es ebenso: Am Piperazin ist der arylsubstituierte Stickstoff (Anilin-Typ) schwächer basisch als der alkylsubstituierte. Feinheiten substituierter Aniline behandelt die Einheit zu aromatischen Aminen, Ringstickstoffe die zu N-Heterocyclen.
Protonierung bei gegebenem pH
Ob ein Amin bei einem bestimmten pH als freie Base oder als Ammonium-Ion vorliegt, zeigt der Vergleich von pH und \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) der Ammoniumform. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschreibt das Verhältnis:
\[\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_\mathrm{S} + \log\frac{[\ce{R-NH2}]}{[\ce{R-NH3+}]}\]
Dabei ist \([\ce{R-NH2}]\) die Konzentration der Base und \([\ce{R-NH3+}]\) die der Ammoniumform in mol/L. Ein Beispiel mit eigenen Zahlen: Ein Amin mit \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) 10,4 hat bei pH 7,4 ein Verhältnis Base zu Ammonium von \(10^{-3}\), also etwa 1 : 1000. Rund 99,9 % sind protoniert.
Ist der pH kleiner als der \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\), überwiegt die protonierte Form. Zwei pH-Einheiten Abstand bedeuten etwa 99 % einer Form.
Aliphatische Amine haben \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\)-Werte um 9 bis 11. Bei pH 7 und bei physiologischem pH 7,4 liegen sie deshalb überwiegend protoniert als \(\ce{R-NH3+}\) vor. Butan-1-amin etwa existiert bei pH 7 hauptsächlich als Butylammonium-Ion. Anilin verhält sich umgekehrt. Mit \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) um 4,7 liegt es bei pH 7,4 überwiegend unprotoniert vor. Die Rechnung ergibt ein Verhältnis Base zu Ammonium von etwa 500 : 1.
Der Ladungszustand steuert die Verteilung zwischen Wasser und einem organischen Lösungsmittel. Ionen bleiben in der wässrigen Phase, ungeladene Basen gehen ins Organische. Cyclohexylamin ist bei pH 2,0 als Ammonium-Ion protoniert und geht in die wässrige Phase. Auch bei pH 7,5 liegt es noch überwiegend protoniert vor und bleibt im Wasser. Erst stark alkalisch lässt es sich als freie Base ausschütteln.
Mit Chlorwasserstoff bilden Amine Salze, die Hydrochloride. Morphin enthält ein tertiäres Amin und reagiert mit etherischer Chlorwasserstofflösung zum Morphinhydrochlorid. Das Salz ist in Ether unlöslich und fällt aus:
\[\ce{R3N + HCl -> R3NH+ Cl-}\]
Viele basische Arzneistoffe liegen als Hydrochlorid vor, etwa Morphinhydrochlorid oder Levocetirizindihydrochlorid. Die Salzform ist besser wasserlöslich und meist stabiler als die freie Base.
Quiz
Aussage 1
Butan-1-amin liegt in wässriger Lösung bei pH 7 überwiegend als Butylammonium-Ion vor.
Der \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) aliphatischer Ammonium-Ionen liegt um 10 bis 11, also deutlich über pH 7, damit überwiegt die protonierte Form.
Aussage 2
Das Stickstoffatom primärer aliphatischer Amine ist sp²-hybridisiert und planar gebaut.
Es ist sp³-hybridisiert und trigonal-pyramidal, das freie Elektronenpaar besetzt eine Tetraederecke.
Aussage 3
Cyclohexylamin lässt sich bei pH 7,5 als freie Base aus Wasser in eine organische Phase ausschütteln.
Bei pH 7,5 liegt Cyclohexylamin noch überwiegend protoniert vor und bleibt in der wässrigen Phase. Ausschütteln gelingt erst stark alkalisch.
Aussage 4
Anilin hat einen höheren \(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\)-Wert als Ammoniak und ist damit die schwächere Base.
Anilin hat einen \(\mathrm{p}K_\mathrm{b}\) von etwa 9,3, Ammoniak etwa 4,7. Das Elektronenpaar des Anilins ist in den Ring delokalisiert.
Aussage 5
Diisopropylamin ist ein sekundäres Amin.
Am Stickstoff hängen zwei Isopropyl-C-Atome und keine Carbonylgruppe, es handelt sich also um ein sekundäres Amin und nicht um ein Amid.
Aussage 6
Triphenylamin ist wegen seiner drei elektronenreichen Phenylringe stärker basisch als Piperidin.
Jede N-gebundene Arylgruppe senkt die Basizität. Triphenylamin ist die schwächste, Piperidin die stärkste Base der Reihe.
Aussage 7
Im Piperazinring von Levocetirizin trägt jedes der beiden Stickstoffatome ein Wasserstoffatom und ist damit sekundär.
Beide Piperazin-Stickstoffe tragen neben zwei Ring-C einen weiteren Substituenten und sind daher tertiär.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.