Амины и аминокислоты на ЕГЭ по химии, главное для экзамена

Мать одиннадцатиклассницы разбирала ящик бабушкиного стола и нашла химический карандаш. Им когда-то подписывали посылки: грифель смачивали, и надпись становилась ярко-фиолетовой и не стиралась. Дочь, которая весь вечер решала задания по органике, повертела карандаш и сказала, что фиолетовый цвет в нем от анилинового красителя, а сам анилин стоит у нее в тетради в разделе про амины. История того, как люди узнали анилин и его родственников, началась раньше, чем появился сам этот раздел.

1820 год, сахар из желатина

Французский химик Анри Браконно в 1820 году обрабатывал серной кислотой разные вещества животного происхождения, желатин, мышечные волокна, шерсть. Из желатина у него выпали кристаллы сладковатого вкуса, и он назвал их «желатиновым сахаром». Позже вещество получило имя глицин, от греческого слова «сладкий», и стало одной из первых аминокислот, выделенных из белка, вместе с лейцином, который Браконно в том же году получил из шерсти и мяса.

Сахаром глицин, конечно, не был. В его молекуле на одном атоме углерода сидят две группы с противоположным характером, аминогруппа и карбоксильная группа. Первая ведет себя как основание, вторая как кислота, и глицин реагирует и с соляной кислотой, и со щелочью. В воде он существует в виде внутренней соли, у которой положительный заряд на азоте, а отрицательный на карбоксильной группе. Такая двойственность называется амфотерностью, и на ней строится добрая половина вопросов об аминокислотах.

С 1826 по 1843 год, одно вещество и четыре имени

Анилин открывали четыре раза, и каждый раз под новым именем. В 1826 году немец Отто Унфердорбен перегонял индиго и получил жидкость, которую назвал кристаллином. В 1834 году Фридлиб Рунге нашел в каменноугольной смоле вещество, которое синело с хлорной известью, и назвал его кианолом. В 1840 году Юлиус Фрицше, работавший в Петербурге, нагрел индиго со щелочью и получил масло, имя которому дал растению, из которого добывают индиго: по-португальски оно называется анил. А в 1842 году Николай Зинин в Казани восстановил нитробензол и получил основание, которое назвал бензидамом.

Только в 1843 году Август Вильгельм Гофман показал, что все четыре вещества одно и то же. Из четырех имен прижилось анилиновое, а способ Зинина стал главным. Суть этого способа умещается в одну стрелку: нитрогруппа отдает кислород и забирает водород, становясь аминогруппой, C6H5NO2 + 3H2 → C6H5NH2 + 2H2O. Ровно эта стрелка и стоит в школьных цепочках между нитробензолом и анилином. Дешевым анилин сделал француз Антуан Бешан, который в 1854 году взял в качестве восстановителя обычное железо и кислоту.

1856 год, хинин, которого не вышло

Восемнадцатилетний лондонский студент Уильям Перкин пытался синтезировать хинин, лекарство от малярии. Хинина не получилось. Вместо него из анилина, окисленного дихроматом калия, вышла черная смола, а из нее спирт вымывал ярко-фиолетовую краску. Анилин у Перкина был нечистым, с примесью толуидинов, и краситель возник именно благодаря им, но поняли это гораздо позже. Перкин запатентовал мовеин, на следующий год открыл красильную фабрику в Гринфорде, и с 1859 по 1861 год лиловый цвет стал главной модой Лондона и Парижа. С этой истории началась промышленность синтетических красителей, а анилин из лабораторного курьеза превратился в сырье для заводов.

Для школьного курса у анилина два главных свойства. Основные свойства у него ослаблены: неподеленная пара электронов азота частично втянута в бензольное кольцо, и раствор анилина не меняет окраску лакмуса. Зато аминогруппа активирует кольцо, и с бромной водой анилин без катализатора дает белый осадок 2,4,6-триброманилина. Бензол в тех же условиях с бромной водой не реагирует, и этот опыт помогает их различить.

Метиламин и запах рыбы

У простейших аминов история скромнее, но с ними связан знакомый запах. Триметиламин дает рыбе тот самый рыбный дух, а метиламин и диметиламин пахнут похоже, только резче. Все они основания сильнее аммиака: метильная группа подталкивает электроны к азоту, и он охотнее присоединяет ион водорода. Получается ряд, который стоит запомнить, анилин слабее аммиака, аммиак слабее метиламина.

Как основания амины реагируют с кислотами и дают соли, например хлорид метиламмония. А соль, в свою очередь, реагирует со щелочью, и амин выделяется обратно. Горят амины с образованием углекислого газа, воды и азота, именно свободного азота, а не его оксидов, и в цепочках это любимое место для ошибки.

1901 год, первый дипептид

Как аминокислоты соединяются в белок, выяснил Эмиль Фишер в Берлине. В 1901 году вместе с Эрнестом Фурно он получил глицилглицин, кипятя с соляной кислотой циклическое производное глицина. Это был простейший дипептид. На съезде в Карлсбаде в сентябре 1902 года Фишер и Франц Гофмейстер изложили идею, что белки построены из аминокислот, связанных одинаковым амидным мостиком, и Фишер предложил названия дипептид, трипептид, полипептид.

Мостик этот называют пептидной связью, его фрагмент записывают как -CO-NH-. Он возникает, когда карбоксильная группа одной аминокислоты реагирует с аминогруппой другой, и при этом отщепляется вода. Порядок важен: глицилаланин и аланилглицин разные вещества. Белки в школьном курсе узнают двумя качественными реакциями. Биуретовая с гидроксидом меди в щелочной среде дает фиолетовое окрашивание, ксантопротеиновая с концентрированной азотной кислотой желтое.

Что спрашивают на ЕГЭ

ЕГЭ по химии 2027 года по проекту ФИПИ сохраняет прежнюю структуру. В варианте 34 задания, 28 с кратким ответом и 6 с развернутым, на работу отводится 210 минут, максимум 56 первичных баллов, из них 36 за первую часть и 20 за вторую. Амины и аминокислоты прямо проверяет задание 13 базового уровня за 1 балл, где речь идет о свойствах азотсодержащих органических соединений и биологически важных веществ. Классификацию и названия спрашивает задание 10 за 1 балл. Качественные реакции, в том числе на белки и анилин, бывают в задании 24 повышенного уровня за 2 балла. В первой части генетическую связь органических веществ проверяет задание 16 повышенного уровня за 1 балл, и стрелка от нитробензола к анилину встречается и там. Во второй части азотсодержащие вещества появляются в цепочке превращений, задании 32 высокого уровня за 5 баллов, и в задаче на вывод формулы, задании 33 за 3 балла.

Ошибки в этой теме из года в год повторяются в одних и тех же местах. У аминокислоты нередко остается одна реакция, с кислотой, хотя щелочь она нейтрализует так же охотно. С дипептидом беда другая: то пропадает молекула воды, то глицилаланин без всякой причины превращается в аланилглицин. А тип амина многие пытаются определить по числу атомов углерода, тогда как считать нужно радикалы у азота, и этиламин с двумя атомами углерода остается первичным.

Порог Рособрнадзора, при котором экзамен по химии считается сданным, 36 тестовых баллов. Для поступления в вузы Минобрнауки нужно не меньше 40 баллов. Заявление на ЕГЭ подают до 1 февраля включительно.

Горение амина дает готовую задачу 33. Пусть газообразный амин сгорел, и после реакции насчитали 8,96 литра углекислого газа, 2,24 литра азота, оба объема при нормальных условиях, и 12,6 грамма воды. Начинают с молей. Углекислый газ дает 0,4 моль, и столько же атомов углерода было в амине. Вода, 12,6 на 18, это 0,7 моль, а водорода в ней вдвое больше, 1,4. Азот, 2,24 на 22,4, дает 0,1 моль молекул, то есть 0,2 моль атомов. Дальше выходит соотношение 0,4 к 1,4 к 0,2, то есть 2 к 7 к 1, а с ним и формула C2H7N. Последний шаг касается строения, структурную формулу в задании 33 оценивают отдельно: такой формуле отвечают первичный этиламин и вторичный диметиламин, и выбрать между ними позволяет только дополнительное условие задачи.

В методических рекомендациях ФИПИ за 2023 год разобрано задание о восстановлении нитросоединений. Из метиламина, глицерина, диэтиламина, 4-метиланилина и триметиламина нужно было выбрать два вещества, которые так получают. Верный ответ метиламин и 4-метиланилин, первичные амины, а часть участников выбрала вторичный и третичный, хотя восстановление нитрогруппы всегда дает первичную аминогруппу.

Как готовиться

На тему хватает недели. В первые два вечера ученик выписывает на лист метиламин, анилин и глицин и рядом у каждого все реакции, о которых шла речь: с кислотой, со щелочью, с бромной водой, горение. Третий вечер уходит на ряд основности и на задания 13 из открытого банка ФИПИ, по десятку за раз. Четвертый и пятый отдаются цепочкам с азотсодержащими веществами: от бензола через нитробензол к анилину и дальше, от уксусной кислоты через хлоруксусную к глицину. В конце недели полезно составить уравнение образования дипептида из двух разных аминокислот в обоих порядках.

Для родительского чата хватит одной фразы. Амины и аминокислоты на ЕГЭ по химии проверяют задание 13 и цепочка в задании 32, и ошибиться там проще всего на анилине, который слабее аммиака как основание, и на продуктах горения, где получается свободный азот.

Разобраться, какие темы органики у вашего выпускника уже получаются, а где теряются баллы, можно на бесплатной консультации с методистом на classicum.ru. Курс по химии идет онлайн в малых группах.

Частые вопросы про амины и аминокислоты на ЕГЭ