Bài 8. Amine
Tìm hiểu về cấu tạo, tính chất và ứng dụng của amine.
Lý thuyết Amine
1. Định nghĩa và phân loại
a) Định nghĩa
Amine: Hợp chất hữu cơ có được khi thay thế một hoặc nhiều nguyên tử H trong phân tử NH₃ bằng gốc hydrocarbon.
Công thức chung:
- Amine đơn chức: R-NH₂, R₂NH, R₃N
- Amine thơm: C₆H₅-NH₂ (aniline)
b) Phân loại
1. Theo bậc:
| Bậc | Công thức | Ví dụ |
|---|---|---|
| Bậc 1 | R-NH₂ | CH₃NH₂ (methylamine) |
| Bậc 2 | R₂NH | (CH₃)₂NH (dimethylamine) |
| Bậc 3 | R₃N | (CH₃)₃N (trimethylamine) |
2. Theo gốc hydrocarbon:
- Amine no: CH₃NH₂, C₂H₅NH₂
- Amine không no: CH₂=CH-NH₂
- Amine thơm: C₆H₅NH₂ (aniline)
c) Danh pháp
Tên thông thường:
- CH₃NH₂: Methylamine
- C₂H₅NH₂: Ethylamine
- C₆H₅NH₂: Aniline
- (CH₃)₂NH: Dimethylamine
Tên IUPAC:
- CH₃NH₂: Methanamine
- C₂H₅NH₂: Ethanamine
- C₆H₅NH₂: Benzenamine
2. Tính chất vật lý
a) Trạng thái
- Amine đơn giản (C₁-C₄): Khí
- Amine phức tạp hơn: Lỏng hoặc rắn
- Aniline: Lỏng, không màu (hóa nâu trong không khí)
b) Mùi
- Amine đơn giản: Mùi khai, giống amoniac
- Amine phức tạp: Mùi khó chịu (cá ươn)
c) Độ tan
- Amine bậc thấp: Tan tốt trong nước (liên kết H)
- Amine bậc cao: Ít tan trong nước
- Aniline: Ít tan trong nước (0.36g/100ml)
d) Nhiệt độ sôi
- Thấp hơn alcohol cùng khối lượng phân tử
- Cao hơn hydrocarbon cùng khối lượng phân tử
- Nguyên nhân: Liên kết H yếu hơn alcohol
3. Tính chất hóa học
a) Tính base (quan trọng nhất)
1. Với nước:
R-NH₂ + H₂O ⇌ R-NH₃⁺ + OH⁻
Dung dịch có tính base yếu (pH > 7)
2. Với acid:
R-NH₂ + HCl → R-NH₃⁺Cl⁻ (muối ammonium)
CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl (methylammonium chloride)
C₆H₅NH₂ + HCl → C₆H₅NH₃Cl (anilinium chloride)
So sánh tính base:
Amine no > NH₃ > Aniline
Nguyên nhân: Gốc alkyl đẩy e, gốc phenyl hút e
b) Phản ứng thế vào nhân thơm (aniline)
1. Với Br₂:
C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ (trắng) + 3HBr
Tạo 2,4,6-tribromoaniline (kết tủa trắng)
Nhóm -NH₂ hoạt hóa nhân benzene
2. Với HNO₃ loãng, lạnh:
Không phản ứng trực tiếp (tạo muối trước)
c) Phản ứng cháy
4CH₃NH₂ + 9O₂ → 4CO₂ + 10H₂O + 2N₂
Tạo CO₂, H₂O và N₂
d) Phản ứng với HNO₂ (phân biệt bậc)
Amine bậc 1:
R-NH₂ + HNO₂ → R-OH + N₂↑ + H₂O (thoát khí N₂)
Amine bậc 2:
R₂NH + HNO₂ → R₂N-NO + H₂O (nitrosamine, vàng)
Amine bậc 3:
R₃N + HNO₂ → Không phản ứng hoặc tạo muối
4. Điều chế và ứng dụng
a) Điều chế
1. Từ halogenoalkane:
R-X + NH₃ → R-NH₂ + HX
CH₃Cl + NH₃ → CH₃NH₂ + HCl
2. Khử hợp chất nitro:
C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O (Ni, t°)
Nitrobenzene → Aniline
3. Từ nitrile:
R-CN + 2H₂ → R-CH₂-NH₂ (Ni, t°)
b) Ứng dụng
1. Aniline:
- Sản xuất thuốc nhuộm (azo dyes)
- Sản xuất polymer (polyurethane)
- Sản xuất dược phẩm (paracetamol)
- Chất trung gian tổng hợp hữu cơ
2. Methylamine:
- Sản xuất thuốc trừ sâu
- Sản xuất dược phẩm
- Chất tẩy rửa
3. Amine khác:
- Chất xúc tác
- Chất ức chế ăn mòn
- Sản xuất cao su
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Bài toán tính base của amine
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH với acid
- Tính mol muối ammonium
- Áp dụng bảo toàn khối lượng
Ví dụ:
a) PTHH:
CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃Cl
b) Tính khối lượng muối:
M(CH₃NH₂) = 31 g/mol
n(CH₃NH₂) = 6.2 / 31 = 0.2 mol
n(CH₃NH₃Cl) = 0.2 mol
M(CH₃NH₃Cl) = 67.5 g/mol
m(muối) = 0.2 × 67.5 = 13.5g
c) Tính thể tích HCl:
n(HCl) = n(CH₃NH₂) = 0.2 mol
V(HCl) = 0.2 / 2 = 0.1 lít = 100 ml
Đáp án: b) 13.5g; c) 100 ml
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán phản ứng aniline với Br₂
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH: 1 mol aniline + 3 mol Br₂
- Tính mol kết tủa
- Lưu ý: Tỉ lệ 1:3
Ví dụ:
a) PTHH:
C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ + 3HBr
b) Tính kết tủa:
M(C₆H₅NH₂) = 93 g/mol
n(aniline) = 9.3 / 93 = 0.1 mol
n(kết tủa) = 0.1 mol
M(C₆H₂Br₃NH₂) = 330 g/mol
m(kết tủa) = 0.1 × 330 = 33g
c) Tính thể tích Br₂:
n(Br₂) = 3 × 0.1 = 0.3 mol
m(Br₂) = 0.3 × 160 = 48g
V(Br₂) = 48 / 3.12 = 15.4 ml
Đáp án: b) 33g; c) 15.4 ml
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế - Sản xuất aniline từ nitrobenzene
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Tính aniline từ nitrobenzene
- Áp dụng hiệu suất
- Đánh giá kinh tế
Ví dụ:
a) Tính aniline:
C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O
M(C₆H₅NO₂) = 123 g/mol
n(nitrobenzene) = 123,000 / 123 = 1000 mol
n(aniline) lý thuyết = 1000 mol
M(C₆H₅NH₂) = 93 g/mol
m(aniline) lý thuyết = 1000 × 93 = 93,000 g = 93 kg
m(aniline) thực tế = 93 × 85% = 79.05 kg
b) Tính lợi nhuận:
Chi phí:
- Nitrobenzene: 123 × 50,000 = 6,150,000 đ
- H₂: n(H₂) = 3000 mol = 6 kg → 6 × 10,000 = 60,000 đ
- Xúc tác, năng lượng: ~500,000 đ
- Tổng: 6,710,000 đ
Doanh thu:
Aniline: 79.05 × 120,000 = 9,486,000 đ
Lợi nhuận:
Lợi nhuận = 9,486,000 - 6,710,000 = 2,776,000 đ
Tỷ suất = 2,776,000 / 6,710,000 × 100% = 41.4%
c) Đánh giá:
An toàn:
- ⚠️ Nitrobenzene độc, gây ung thư
- ⚠️ Aniline độc, hấp thủ qua da
- ⚠️ H₂ dễ cháy nổ
- ✓ Cần thiết bị bảo hộ nghiêm ngặt
- ✓ Hệ thống thông gió tốt
Môi trường:
- ✓ Không tạo khí độc (chỉ H₂O)
- ⚠️ Nước thải chứa aniline
- ✓ Cần xử lý nước thải
- ✓ Thu hồi aniline dư
Cải tiến:
- Tăng hiệu suất lên 90-95%
- Sử dụng xúc tác tốt hơn (Pt, Pd)
- Hệ thống thu hồi H₂ dư
- Xử lý nước thải bằng sinh học
Đáp án: a) 79.05 kg; b) Lợi nhuận 2.78 triệu đồng (41.4%); c) Cần chú ý an toàn và xử lý môi trường