Compuestos Nitrogenados

Química Orgánica de Biomoléculas

Diego Grassi

Compuestos Nitrogenados 2

2

3

El Nitrógeno tiene numero atómico 7, es decir que su configuración electrónica es la siguiente: 1s 2s 2p . Al 2

3

igual que el Carbono puede hibridizar sp, sp y sp . Sin embargo a diferencia del C, el N tienen en su capa de valencia 5 electrones, lo que genera ciertas particularidades en las moléculas en que se encuentra presente. Los compuestos orgánicos nitrogenados más importantes son los siguientes:

O

N

AMIDA

N

AMINA

C

N

NITRILO

Las amidas y las aminas son de vital importancia en los sistemas biológicos, razón por la cual serán descriptas profundamente durante todo el curso. Muchos compuestos nitrogenados tienen propiedades básicas, otros no. Una de la habilidades que debe desarrollar el alumno es la capacidad de predecir la basicidad de los compuestos en función de su estructura química. Para analizar esto se utiliza la definición de ácidos y bases de Lewis, la cual es la más completa actualmente.

Ácido: sustancia capaz de aceptar electrones. Base: sustancia capaz de ceder electrones. Por ejemplo el trifloruro de boro (BF3) es un ácido de Lewis ya que acepta electrones, mientras que el amoniaco es una base de Lewis ya que cede sus electrones para dar el ión amonio.

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Siguiendo esta definición, un compuesto será más básico cuanto más fácilmente ceda sus electrones para captar un protón.

Amidas: Algunos ejemplos de amidas, con sus respectivos nombres son los siguientes:

El enlace amida tiene una característica que marca sus propiedades, el par electrónico de libre del nitrógeno se deslocaliza por resonancia dándole carácter Π al enlace N‐C‐O.

3

A primera vista parecería que el Nitrógeno tiene una hibridización sp pero en realidad tiene mas carácter 2

sp .

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Este hecho trae aparejado 2 consecuencias importantes: Por un lado el par electrónico del N, no está disponible para cederse, ya que esta parcialmente formando parte de un enlace Π C‐N. De esta forma las Amidas NO son básicas. Por otro lado el enlace C‐N tiene carácter Π, y de esta forma ese enlace carece de libre rotación. Asi el enlace

Amida tiene geometría plana, dejando 6 átomos en el mismo plano.

Aminas: Pueden clasificarse como saturadas e insaturadas: 3

En las as aminas saturadas el Nitrógeno tiene hibridización sp , pudiendo a su vez unirse a cadenas alquílicas 3

2

(carbonos sp ) para dar Alquilaminas o a derivados del benceno (carbonos sp ) para dar Arilaminas. Las Alquilaminas, pueden ser primarias, secundarias o terciarias dependiendo del número de carbonos unidos al nitrógeno. Existen aminas cíclicas, en los cuáles el átomo de Nitrógeno forma parte del ciclo. Este tipo de compuestos en los cuales algún elemento de un ciclo es un átomo distinto al carbono (Oxigeno, Nitrógeno o Azufre principalmente) se denominan Heterociclos y son muy importantes. Algunos ejemplos de

Alquilaminas con sus respectivos nombres se muestran a continuación:

Un tipo especial de aminas son los constituidos por amonios cuaternarios, en los cuales el Nitrógeno está unido a 4 grupos alquilo y de esta forma tiene carga positiva permanentemente:

3


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3

En la Aminas saturadas el Nitrógeno tiene hibridización sp es decir geometría tetraédrica, en 3 de los vértices del tetraedro se posicionan los sustituyentes, mientras que en el restante se ubica el par electrónico libre del N. En la figura siguiente se muestra la descripción orbital de la metanamina:

Las Arilaminas mas comunes se muestran en la siguiente figura, notar que el Nitrógeno esta hibridizado sp

3

2

pero esta unido a un carbono sp esto trae consecuencias sobre las propiedades químicas de este tipo de compuestos, como veremos mas adelante.

anilina

naftalen-1-amina

naftalen-2-amina

difenilamina

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Las arilaminas tienen una geometría tetraédrica alrededor del N, pero a diferencia de las alquilaminas exhiben una pirámide mas achatada. En la siguiente figura se comparan los ángulos de enlace C‐N‐H para la metilamina (alquilamina), la anilina (arilamina) y la formamida (amida):

o

3

2

En la metilamina el N sp genera un ángulo de enlace de 125 , en la formamida el N sp genera un ángulo de o

enlace de 180 , mientras que en la anilina el ángulo de enlace es intermedio entre estos 2 indicando que la 3

2

hibridación del Nitrógeno es intermedia entre sp y sp . Esta hibridación intermedia se debe a la deslocalización del par electrónico del N dentro del sistema

Π

del

anillo aromático, según se muestra en la imagen siguiente:

‐

Nótese que existe una estructura resonante con el par de e posicionado sobre el N, y otras en las que esté 2

último se encuentra traccionado hacia el anillo dando un N con hibridización sp . La verdeara estructura de la anilina es una mezcla de estas estructuras de resonancia. 2

En las aminas Insaturadas o heterociclos aromáticos el Nitrógeno hibridiza sp , algunos compuestos de este tipo se muestran a continuación:

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2

Notar que en estos compuestos en donde el Nitrógeno hibridiza sp , éste puede estar unido a 2 átomos como en el caso de la piridina y la quinolina o a 3 átomos como en el caso del pirrol y el indol. Como veremos más adelante, algunos de estos compuestos serán básicos y otros no, dependiendo de cómo sea su estructura electrónica, asi que es de elevada importancia analizar en detalle los orbitales moleculares de estos compuestos. 2

En los heterociclos aromáticos de 6 miembros, como la piridina, el N (sp ) adquiere una configuración 1

2 1

2 1

2 2

2

electrónica 2p (2sp ) (2sp ) (2sp ) , es decir coloca el par electrónico en un orbital sp , y en los otros ‐

‐

orbitales del nivel cuántico n=2 1 e en cada uno. De esta forma alcanza los 6 e

Π

necesarios para que la

molécula sea aromática.

En cambio, en los heterociclos aromáticos de 5 miembros, como el pirrol,

2

el N (sp ) adquiere otra 2

2 1

2 1

2 1

configuración electrónica que le permite al compuesto alcanzar la aromaticidad: N 2p (2sp ) (2sp ) (2sp ) , es decir coloca el par electrónico en un orbital p, formando 3 enlaces

σy

aportando al sistema

Π2

‐

e . Notar

que en este tipo de compuesto el par electrónico libre del Nitrógeno dejó de estar localizado y pasó a ser completamente parte del anillo aromático.

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Nomenclatura sistemática: cuando un compuesto contiene mas de un grupo funcional, existe un orden de precedencia que determina como se nombrará el compuesto. El compuesto es nombrado de forma que el grupo funcional con mayor prioridad se coloca en sufijo, mientras el de menor prioridad como prefijo. Sin embargo, dobles y triples enlaces siempre ocupan la posición del sufijo (como –en o –ino). En la tabla siguiente se dan los órdenes de prioridades de grupos funcionales

Prioridad 1

2

Grupo funcional Cationes

Prefijo

Sufijo

‐onio‐

‐onium

por ej: Amonio

+ –NH3

amonio‐

‐amonium

Acidos Carboxilicos

–COOH

carboxi‐

‐oico

–SO3H

sulfo‐

‐sulfonico

–COOR

R‐oxicarbonil‐

‐R‐oato

–COX

halocarbonil‐

‐oil

–CONH2

carbamoyl ‐

‐amida

Acidos Sulfonic 3

Formula

Derivados de ácidos Esters Haluros de acilo Amidas

4

Nitrilos

–CN

ciano‐

‐nitrilo

5

Aldehidos

–CHO

formil‐

‐al

6

Cetona

=O

Oxo‐

‐ona

7

Alcoholes

–OH

hidroxi‐

‐ol

9

Aminas

–NH2

amino‐

‐amina

10

Eters

–O‐

‐oxi‐

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Algunos ejemplos de compuestos difuncionales con aminas se dan en la siguiente figura:

Propiedades físicas y químicas de las aminas: 3

La distribución espacial alrededor de un N sp de los sustituyentes no está fija, como en el caso del carbono, ya que debido a que un orbital se encuentra un par electrónico libre se produce el fenómeno de inversión en la configuración espacial del N. Este hecho provoca las aminas no presentan quiralidad (será discutida en la unidad 7 para el carbono):

Las aminas saturadas presentan puntos de ebullición y solubilidad en agua intermedios entre los alcanos y los alcoholes (más cercanos a estos últimos). Esto se debe a que tienen posibilidad de formar puente hidrógeno, pero éste es más débil que en el caso de los alcoholes, ya que el oxigeno es mas electronegativo.

Puente H entre 2 moléculas de dimetilamina.

Polaridad de una amina.

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Al igual que cualquier compuesto que pueda formar puente H, se formará una estructura tridimensional de asociaciones H, lo que provoca que la energía que sea necesario aplicar para producir el cambio de fase sea elevada.

En la siguiente figura se comparan los puntos de ebullición de un alcano, de una amina y de un alcohol de peso molecular similar.

Vale la pena señalar que diferencia de los alcoholes las aminas terciarias no tienen la posibilidad de formar puente hidrógeno y de esa forma sus interacciones intermoleculares son mucho más débiles. En la siguiente figura se muestra la variación de peb de aminas primarias, secundarias y terciarias isómeras:

Al igual que los alcoholes, cuando la cadena carbonada comienza a ser importante (mayor a 4 átomos de C) dejan de ser solubles en agua.

Basicidad de Aminas: La basicidad de las aminas (como la de cualquier sustancia) está relacionada al siguiente equilibrio químico:

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Cuanto mayor sea Kb (o menor pKb) mayor será la basicidad de una amina. Otra forma de pensar la basicidad de una amina, es analizar la acidez de su ácido conjugado, en este caso el ion alquilamonio. A mayor acidez del ácido conjugado menor será la basicidad de la amina.

De esta forma, una amina será más básica cuanto: ‐ ‐ ‐ ‐

Mayor sea su Kb. Menor sea su pKb. Menor sea su Ka. Mayor sea su pKa.

Como ya se mencionó previamente, la basicidad de las aminas dependerá de cuan expuesto esté el par electrónico libre (no enlazante) del Nitrógeno. Compuestos que tengan el N con el par de e muy expuesto serán muy básicos, mientras que compuestos con el par de e poco expuestos serán poco básicos. ‐

‐

Las aminas son bases débiles en comparación con las bases inorgánicas, no obstante son el grupo químico de moléculas neutras más básicas que existe.

Las aminas con Nitrogenos hibridizados sp3 (aminas saturadas) son más básicas que aquellas con el N hibridizado sp2 (aminas insaturadas), debido a que en estas últimas el orbital sp2 tiene mayor carácter s y por consiguiente menor amplitud radial. Dejando al par electrónico menos expuesto. Dentro de las aminas saturadas la relación de basicidad es la siguiente: ‐

Las alquilaminas son levemente más básicas que el amoniaco.

‐

Las alquilaminas (primarias, secundarias y terciarias) no difieren demasiado en su basicidad. Máximo 1 unidad de pK.

‐

Las arilaminas son menos básicas que las alquilaminas, pudiendo llegar a una diferencia de 6 unidades de pK.

Las arilaminas son claramente menos básicas que las alquilaminas, debido a la deslocalización del par electrónico del N en el anillo aromático.

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Las diferencias en las basicidades del amoniaco y las alquilaminas primarias, secundarias y terciarias, son la consecuencia de 2 factores contrapuestos: el efecto inductivo por un lado y el impedimento estérico por el otro. El efecto inductivo donor de electrones de un radical alquilo por ejemplo, provoca que el par electrónico del N esté más expuesto, haciéndolo más básico, asi por ejemplo:

De esta manera agregar radicales alquilo, pasando a aminas secundarias por ejemplo, aumenta el efecto ‐

inductivo sobre el par e . El otro efecto a tener en cuenta es el impedimento estérico, ya que la presencia de cadenas carbonadas que en algunos casos pueden llegar a ser voluminosas, impedirán el acercamiento del agua (u otro ácido de Lewis) hacia los electrones del N, disminuyendo así la accesibilidad a éstos últimos y bajando consecuentemente su basicidad. El impedimento estérico aumenta al agregar cadenas carbonadas. Como consecuencia de estos efectos la basicidad de las alquilaminas y arilaminas sigue el orden:

2aria > 3aria 1aria > NH3 > Arilaminas ≈

En la tabla siguiente se dan los valores numéricos de la basicidad para alquil y arilaminas.

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Como ejercicio pensar el siguiente problema: Las aminas esquematizadas en la siguiente figura muestran valores Kb que difieren en un factor 40000. Cuál es la más básica? Por qué?

La presencia de sustituyentes fuertemente inductores modificarán la basicidad de las aminas tanto las alquilaminas como las arilaminas, por ejemplo:

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Asi mismo los efectos de los anillos aromáticos son acumulativos, la presencia de varios anillos aromáticos unidos al N baja aun más la basicidad.

Ahora bien, que pasa con las aminas insaturadas o heterociclos aromáticos? 2

En el caso de piridina el par de electrones del Nitrógeno está ocupando un orbital sp no tan extendido como 3

un orbital sp y por consiguiente la piridina es menos básica que una alquilamina.

Si la comparamos con las arilaminas observamos que la piridina tiene un pKb=8.9, mientras que la anilina tiene un pKb=9.4, es decir la piridina es muy levemente mas básica que la anilina. Sin embargo es imposible predecir esto en forma cualitativa.

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En el caso del pirrol, el par electrónico del Nitrógeno se encuentra deslocalizado en el anillo de 5 miembros, ya que de esta manera se alcanzan los 6 e

‐

Π

necesarios para que el compuesto sea aromático. De esta forma

NO está disponible para interactuar con un ácido de Lewis y consecuentemente el pirrol NO es básico.

Compuestos heterocíclicos: Se denomina así a los compuestos cíclicos en los cuales algún miembro del anillo es un elemento distinto al carbono (N, O y S generalmente). Pueden ser aromáticos o no. Algunos ya fueron tratados como derivados de aminas. Los heterociclos mas comunes se esquematizan a continuación:

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Notar que los heterociclos de Oxigeno y Azufre tienen también pares electrónicos no enlazantes, sin embargo no son básicos debido a la mayor electronegatividad de estos átomos. Como ejercicio importante, justificar cuales de los heterociclos esquematizados son aromáticos y cuales básicos. Dos heterociclos importantes (básicos y aromáticos) son la purina y la pirimidina, de las cuales derivan las bases que forman parte del ADN y ARN.

Existen en los sistemas biológicos otros heterociclos muy importantes además de las bases del ADN, por ejemplo algunos aminoácidos como la prolina, el triptófano y la histidina.

Ejercicio: identificar de que heterociclos derivan los aminoácidos esquematizados. Indicar si son aromáticos y básicos.

Porfirinas: Las porfirinas sustituidas son un grupo de compuestos heterocíclicos naturales de muchísima importancia. 2

Una porfirina es un sistema cíclico constituido por 4 unidades de pirrol unidos puentes de un carbono sp .

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Diego Grassi 2+

El grupo hemo componente de la hemoglobina y la mioglobina contiene un ion ferroso (Fe ) ligado por los 4 átomos de Nitrógeno de la porfirina. El grupo hemo de la hemoglobina es el responsable del transporte de oxigeno desde los pulmones hacia los tejido.

Ejercicio: es la porfirina aromática? Otras porfirinas importantes son la clorofila a y la vitamina B12. La clorofila a es el compuesto que da color 2+

verde a las plantas y en este caso, el ión central es un átomo de Mg . La vitamina B12 es levemente 3+

diferente a las otras porfirinas, ya un puente de carbono está ausente, el ión central es Co .

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Alcaloides: Son mayormente compuestos naturales sintetizados por plantas o animales, actualmente existen algunos de origen sintético. Se piensa que las plantas los sintetizan como modo de protección frente a insectos. Contienen uno o más átomos de Nitrógeno, lo que les da características básicas o alcalinas y de allí deriva su nombre. Tienen el común denominador de son psicoactivos, usualmente actuando en el Sistema Nervioso Central (SNC) sobre los sistemas parasimpático o simpático. Los más relevantes se dan a continuación:

Es un alcaloide psicoactivo y estimulante. Produce un efecto de restauración del nivel de alerta. Se encuentra en una cantidad apreciable en el café y menormente en otros vegetales

Se encuentra en la plata de tabaco. Constituye el 5% de la planta. Estimulante, muy adictivo. Tiene acción sobre los receptores de la acetilcolina, incrementando la actividad de éstos.

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Se obtiene de la planta de la coca. Estimulante de SNC, evitando la recaptación de los neurotransmisores Serotonina, norepinefrina y dopamina.

Cocaína

El nombre de la droga es diazepam. Tiene propiedades ansiolíticas, miorrelajantes, anticonvulsivantes. Es un depresor del SNC, por estimulación del neurotransmisor GABA. De origen natural es sintetizado químicamente en la actualidad.

Es un neurotransmisor. Cumple un papel importante en la inhibición de la ira, la inhibición de la agresión, la temperatura corporal, el sueño, la sexualidad, y el apetito. Los antidepresivos se ocupan de modificar los niveles de serotonina en el individuo.

Es un droga opiode. Se utiliza como analgésico en casos críticos.

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Es una droga semisintética, derivada de la morfina. Se consume como droga de abuso.

Es un alcaloide simpaticomimético de origen vegetal. Actúa como agonista adrenérgico. Está prohibida en la mayor parte del mundo, ya que se utiliza como precursor de la anfetamina.

Efedrina

Se trata de un isómero óptico de la efedrina. En algunos países se encuentra prohibida, en Argentina es una droga vigilada sin llegar a estar prohibida. Debido a eso se desarrollo la mafia de la efedrina, que exportaba pseudoefedrina hacia países donde está prohibida para la obtención de drogas de abuso.

Pseudoefedrina

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Es el componente activo del viagra. Es una droga sintética.

Agente antiviral de origen sintético.

Se encuentra en la planta del cacao. Estimulante del SNC. Es un alcaloide dopaminergico, estimulando la liberación de los neurotransmisores relacionados a las sensaciones placenteras. De este alcaloide deriva el dicho: “el chocolate es el sustituto del sexo”.

Teobromina

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