INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN ALUMNOS:
Itzel Maritza Lara Reyes María Fernanda Palomec Primo
PROFESOR:
Ing. Imelda Tenorio Prieto
“UNIDAD 5: ESTUDIO DE LAS AMINAS”
SEMESTRE:
5º
ASIGNATURA:
Química Orgánica ll
“
1
”
AULA:
A2, LQA ÍNDICE
Introducción………………………………………………………...…. ..... 3 Objetivos……………………………………………………………... ..…. 4 Marco teórico………………………………………………………...…… 5
5 Estudio de aminas………………………………………………......…. 6 5.1 Clasificación de las aminas………………………………………… 13
5.2 Nomenclatura de amina s…………………………………………… 14 5.3 Usos de aminas……………………………………………………… 17
5.4 Reacciones de aminas ……………………………………………… 20 5.4.1 Condensación de aminas con cetonas y aldehídos…………… 20
5.4.2 Sustitución aromática electrofílica de las arilaminas ………….. 23 5.4.3 Sustitución aromática nucleofílica de la piridina ……………..... 28 5.4.4 Acilación de aminas con cloruros de ácido …………………….. 33 5.4.5 Aminas con grupos salientes: eliminación de Hofmann …........ 35 5.4.6 Oxidación de aminas. La eliminación de cope…………………. 39
5.4.7 Formación de sales de diazonio…………………………………. 40 5.4.8 Reacciones de las sales de diazonio………………………...…. 43 Conclusión……………………………………………………….……….. 44 ía…………………………………………………….………….. 45 Bibliograf ía…………………………………………………….…………..
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INTRODUCCIÓN Las aminas pueden considerarse como compuestos derivados del amoníaco (NH3) al sustituir uno, dos o tres de sus hidrógenos por radicales alquílicos o aromáticos. Según el número de hidrógenos que se substituyan se denominan aminas primarias, secundarias o terciarias.
o c á i n H o N m A 3
Amina primaria Amina secundaria
R-NH2
R-NH R’
Amin Am inaa te terrci ciar aria ia
R-N-R’’ R’
Las aminas son compuestos orgánicos derivados del amoniaco, de la misma forma que los alcoholes y éteres son compuestos orgánicos derivados del agua. Se clasifican como primarias (RNH 2), secundarias (R2NH) o terciarias (R3N). De las sustancias orgánicas existentes las aminas muestran una basicidad ap reciable y su química en muchos aspectos es similar a la de los alcoholes y éteres, es decir pueden formar puentes de hidrógenos y actuar como nucleófilos en las reacciones de sustitución. Sin embargo, hay ciertas diferencias en la reactividad, porque el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno.
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OBJETIVOS • Dar a conocer el concepto de aminas sobre la base de la estructura es tructura del amoníaco. • Representar l a fórmula general de las aminas dependiendo de su clasificación. • Nombrar y formular las aminas de acuerdo con la nomenclatura IUPAC y la común. • Describir las principales propiedades químicas de las aminas.
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MARCO TEÓRICO I) Estructura Las aminas son compuestos orgánicos derivados del amoniaco con uno o más grupos sustituidos en el átomo de nitrógeno. Debido a su alto grado de actividad biológica, muchas de ellas son usadas como medicamentos y drogas, así como en la manufactura de colorantes, que es el caso de las aminas aromáticas. El grupo –NH2 se designa por prefijo amino. La unión de este grupo a un átomo de carbono da lugar a la familia de las aminas (Ar) R —NH2. Las aminas pueden clasificarse de acuerdo con el número de grupos alquilo o arilo unidos al nitrógeno. RNH2 es una amina primaria, R 2NH es una amina secundaria, R 3N es una amina terciaria y ArNH2 es una amina aromática. H | R—N—H
H | R—N—R
R | R—N—R
Primaria
Secundaria
Terciaria
Las aminas forman especies tetravalentes estables del tipo R 4N+. Donde R puede ser un grupo alquilo, arilo o protón. Especies de este tipo se denominan sales de amonio cuaternarias. El anilio se emplea en lugar de amonio para designar las sales cuaternarias de las aminas aromáticas que contienen el esqueleto de anilina (C6H5NR3+). Las aminas son simples cuando los grupos alquilo son iguales y mixtas si éstos son diferentes.
II) Obtención Se obtiene una mezcla de aminas primarias, secundarias y terciarias por el método de Hoffman , consistente en calentar los halogenuros de alquilo con una solución etanólica de amoniaco en tubo cerrado: Amina
Halogenuro 5
Cloruro de hidrogeno
H-NH2 + R—Cl → Cl-H + R--NH2 R-NH2 + R—Cl → Cl-H + R2-NH R-R-NH + R—Cl → Cl-H + R3-N R3-N + R—Cl → Cl-H + [R4N]+ + ClSal de amonio
TEMA 5. ESTUDIO DE AMINAS
Las aminas son compuestos orgánicos que contienen el grupo funcional amino. NH2 (formula general R-NH2). Son conocidas por sus colores fuertes y punzantes. Por ejemplo, la metilamina (CH 3-NH2) tiene un olor a pescado descompuesto. Las aminas se producen también durante la descomposición de organismos vivientes y reciben el nombre de ptomainas. Las aminas son derivados orgánicos del amoniaco de la misma manera en la que los alcoholes y los éteres son derivados orgánicos del agua. Al igual que el amoniaco, las aminas contienen un átomo de nitrógen o con un par de electrones no enlazado, lo que hace a las aminas básicas y nucleofílicas. Las aminas, igual que el amoniaco, son bases débiles. Sin embargo, son las bases sin carga más fuertes que se encuentran en cantidades importantes bajo condiciones fisiológicas. En general, las aminas son las bases que participan en las reacciones biológicas ácido-base; con frecuencia son los nucleófilos en las sustituciones nucleofílicas biológicas. Fuentes naturales Las aminas se encuentran formando parte de la naturaleza, en los aminoácidos que conforman las proteínas que son un componente ese ncial del organismo de los seres vivos. Al degradarse las proteínas se descomponen en d istintas aminas, como cadaverina y putrescina entre otras. Las cuales emiten olor desagradable. Es por ello por lo que cuando la carne de aves, pescado y res no es preservada mediante refrigeración, los microorganismos que se encuentran en ella degradan las proteínas en aminas y se produce un olor desagradable. Las aminas son producidas por vegetales y amínales como la t iramina, presente en algunos hongos, o se producen durante la putrefacción o descomposición de materiales proteicos; a estas pertenecen la cadaverina, la putrescina, la dimetilamina y la trimetilamina. H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2 Cadaverina 6
HO
CH2-CH2-NH2
H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2 Putrescina
Tiramina
CH3-CH3-NH N, N-dimetilamina
CH3-CH3-CH3-N N, N, N-trimetilamina
Las aminas son parte de los alcaloides que son compuestos complejos que se encuentran en las plantas. Algunos de ellos son la morfina y la nicotina. Algunas aminas son biológicamente importantes como la adrenalina y la noradrenalina. Las aminas secundarias que se encuentran en las carnes y los pescados o en el humo del tabaco. Estas aminas pueden reaccionar con los nitritos presentes en conservantes empleados en la alimentación y en plantas, procedentes del uso de fertilizantes, originando N-nitroso aminas secundarias, que son carcinógenas. Fuente Industrial Algunas de las aminas más sencillas e importantes se preparan a escala industrial mediante procesos que no tienen aplicación como métodos de labor atorio. La amina más importante de todas, la anilina, se prepara de varias maneras: (a) por reducción de nitrobenceno con hierro y ácido clorhídrico, que son reactivos baratos (o bien, por hidrogenación catalítica); (b) por tratamiento del cloro benceno con amoniaco a temperaturas y presiones elevadas, e n presencia de un catalizador. Veremos que el proceso (b) es una sustitución nucleofilica aromática.
Fe, HCl 30% calor
NO2
NH3 + Cl-
Nitrobenceno
Cl
Cloruro de anilinio
Na2CO3
NH2
Anilina
NH3, CU2O, 200°C, 60 atm
NH2
Anilina
Clorobenceno
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La metilamina, dimetilamina y trimetilamina se sintetizan industrialmente con metanol y amoniaco: CH3, OH
CH3, OH
NH3 Al2O3, 450°C
Amoniaco
CH3-NH2
CH3, OH
CH3-CH3-CH3-N
CH3-CH3-NH
Al2O3, 450°C
Metilamina
Al2O3, 450°C
Dimetilamina
Trimetilamina
Los halogenuros de alquilo e emplean para hacer algunas alquilaminas superiores, lo mismo que en el laboratorio. Los ácidos obtenidos de las grasas pueden convertirse en 1-aminoalcanos de cadena larga con número par de carbonos por la reducción de nitrilos. NH3, calor
R-COOH Acido
R-CNH2 Amida
Calor
R-C N
H2, cat.
Nitrilo
R-CH2NH2 Amina
Formula General
R3N Dónde: R puede ser H o un grupo hidrocarburo Dónde: N es Nitrógeno
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LAS AMINAS Propiedades Físicas
Las aminas son compuestos incoloros que se oxidan con facilidad lo que permite que se encuentren como compuestos coloreados. Los primeros miembros de esta serie son gases con olor similar al amoníaco. A medida que aumenta el número de átomos de carbono en la molécula, el olor se hace similar al del pescado. Las aminas aromáticas son muy tóxicas se absorben a través de la piel. Las aminas de bajo peso molecular son gases a temperatura ambiente, las más pesadas y complejas son líquidos o sólidos. Como el amoniaco, las aminas son compuestos polares y pueden formar puentes de hidrógeno intermoleculares,
Amina secundaria aromática
Amina terciaria aromática 8
Solubilidad: Las aminas primarias y secundarias son compuestos polares, capaces de formar puentes de hidrógeno entre sí y con el agua, esto las hace solubles en ella. La solubilidad disminuye en las moléculas con más de 6 átomos de carbono y en las que poseen el anillo aromático.
Punto de Ebullición: El punto de ebullición de las aminas es más alto que e l de los compuestos apolares que presentan el mismo peso molecular de las aminas. El nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno, esto hace que los puentes de hidrógeno entre las aminas se den en menor grado que en los alcoholes. Esto hace que el punto de ebullición de las aminas sea más bajo que el de los alcoholes del mismo peso molecular. Las aminas presentan puntos de fusión y ebullición más bajos que los alcoholes. Así, la etilamina hierve a 17ºC, mientras que el punto de ebullición del etanol es de 78ºC. CH3-CH2-OH
P. eb. = 78ºC
CH3-CH2-NH2
P. eb. = 17ºC
La menor electronegatividad del nitrógeno, comparada con la del oxígeno, hace que los puentes de hidrógeno que forman las aminas sean más débiles que los formados por los alcoholes. También se observa que las aminas primarias tienen mayores puntos de ebullición que las secundarias y estas a su vez mayores que las terciarias.
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(Constantes físicas de algunas Aminas) Nombre
Pto. de fusión(ºC)
Pto. de ebullición(ºC)
Solubilidad (gr/100 gr de H2O)
Metil-amina
-92
-7,5
Muy soluble
Dimetil-amina
-96
7,5
Muy soluble
Trimetil-amina
-117
3
91
Fenil-amina
-6
184
3,7
Difenil-amina
53
302
Insoluble
Metilfenil-amina
-57
196
Muy poco soluble
Propiedades Químicas Las aminas se comportan como bases. Cuando una amina se disuelve en agua, acepta un protón formando un ion alquil-amonio.
Síntesis de aminas: Las aminas se obtienen tratando derivados halogenados o alcoholes con amoniaco. Producción de aminas a partir de derivados halogenados
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Las aminas inferiores se preparan comercialmente haciendo pasar amoniaco y vapores de alcohol en presencia de óxido de thorio o de aluminio caliente.
La reducción de diversos compuestos como nitro derivados, nitrilos, aldehídos o cetonas también tiene entre sus productos finales las aminas. Las propiedades químicas de las aminas son semejantes a las del amoniaco. Al igual que éste, son sustancias básicas; son aceptores de protones, según la definición de Brønsted-Lowry.
Las aminas presentan reacciones de neutralización con los ácidos y forman sales de alquilamonio (también denominadas sales de amina). Por ejemplo, la etilamina se combina con el ácido clorhídrico, para producir cloruro de etilamonio. CH3-CH2-NH2 + HCL
CH3-CH2-NH3+Cl-
Etilamina ácido clorhídrico El cloruro de etilamonio es una sal de alquilamonio. Un grupo etilo y tres átomos de hidrógeno están unidos al átomo de nitrógeno en este compuesto. Si la dimetilamina, (CH 3CH2)2NH, se combina con el HBr se produce el bromuro de dietilamonio, una sal de dialquilamonio.
Un uso práctico para convertir las aminas a sus sales es el producir aminas de mayor masa molecular y soluble en agua. La mayoría de las aminas de gran masa molecular son insolubles en agua, pero después de combinarse con un ácido forman una sal de amina iónica soluble. Por ejemplo, la lidocaína, un anestésico local que
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es insoluble en agua como amina libre; después de combinarse con el HCl forma un clorhidrato de lidocaína el cual es soluble en agua.
La lidocaína es insoluble debido al carácter no polar de la molécula. Después de combinarse con el HCl se convierte en un compuesto iónico. Un gran porcentaje de los compuestos iónicos son solubles en agua. Muchas de las aminas esenciales en los seres vivos existen como sales de aminas y no como aminas. Uno de estos compuestos es el neurotransmisor acetilcolina. La acetilcolina se libera en el extremo de un nervio, viaja a través de la brecha sináptica, se une a otro miembro y origina un impulso nervioso. Durante el tiempo en que la molécula de acetilcolina viaja a través de la brecha sináptica, su estructura es la siguiente:
O CH3-C-O-CH2-CH2-N-CH3-CH3-CH3 Sal de acetilcolina
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5.1 CLASI F I CACI ÓN DE AMI NAS Las aminas son derivados orgánicos del amoniaco de la misma manera en la que los alcoholes y los éteres son derivados orgánicos del agua. Al igual que el amoniaco, las aminas contienen un átomo de nitrógen o con un par de electrones no enlazado, lo que hace a las aminas básicas y nucleofílicas. Las aminas pueden clasificarse como primarias, secundarias o terciarias, dependiendo del número de átomos de carbono enlazados directamente al átomo de nitrógeno. En una amina primaria, el átomo de nitrógeno está unido a un átomo de carbono y a dos de hidrógeno. En una amina secundaria, el átomo de hidrógeno está enlazado a dos átomos de carbono y a uno de hidrógeno. En una amina terciaria, el nitrógeno está unido a tres átomos de carbono. Obsérvese que estos adjetivos se utilizan para indicar el grado de sustitución en el nitrógeno y no la naturaleza de los sustituyentes. En las aminas secundarias y terciarias los grupos alquilo o arilo pueden ser iguales o distintos.
Metilamina
Dimetilamina
H | CH3—N—H
H | CH3—N—CH3
(Amina primaria)
(Amina secundaria)
Trimetilamina CH 3 | CH3—N—CH3 (Amina terciaria)
También existen compuestos que contienen un átomo de nitrógeno con cuatro grupos unidos, pero el átomo de nitrógeno debe llevar una carga positiva formal. A tales compuestos se les llaman sales de amonio cuaternarias. R +
R—N—R XR Los compuestos de amonio cuaternario son análogos a las sales simples de amonio inorgánico. De nuevo, los cuatro grupos unidos al nitrógeno en el ion amonio pueden ser iguales o diferentes.
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CH3-CH3-CH3-CH3-N-ClTetrametil amonio cloruro En las aminas, los términos más bajos son gaseosos y solubles en agua, los intermedios son líquidos y los superiores sólidos. La solubilidad en agua disminuye según aumenta el peso molecular. Los primeros términos son volátiles y de olor amoniacal. Todas las aminas son bases, incluso más fuertes que el amoniaco: R—NH2 + H2O ↔ R-NH3+ + OHAmina
Anfifila
Agua
Ion Hidroxilo
Los tres tipos de aminas se diferencian principalmente por su comportamiento con el ácido nitroso: Las primarias suelen formar alcohol y desprender nitrógeno: C2H5—NH2 + NO2H → H2O + N2 + C2H5-OH Etilamina
cido
A ua Nitró eno
Etanol
Las secundarias forman nitrosaminas: (C2H5)2NH + NO2H → H2O + (C2H5)2N—NO Dietilamina
Ácido nitroso Agua
DIetilnitrosamina
Las terciarias no reaccionan con el ácido nitroso.
5.2 NOM E NC LATUR A DE AMI NAS A diferencia de los alcoholes y los halogenuros de alquilo, que se clasifican como primarios, secundarios o terciarios, de acuerdo con el grado de sustitución del carbono que lleva el grupo funcional, las aminas se clasifican de acuerdo con su grado de sustitución en el nitrógeno . Una amina con un carbono unido al nitrógeno es una amina primaria; una amina con dos carbonos es una amina secundaria y una amina con tres es una amina terciaria.
R – NH2
Amina primaria
R – NH l
Amina secundaria
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R´ R – N - R´ Amina terciaria l R´ Los grupos unidos al nitrógeno pueden ser cualquier combinación de grupos alquilo o arilo. En el sistema de la IUPAC el nombre de las aminas se asigna en dos formas principales: como alquilaminas o como alcanaminas. Cuando las aminas primarias se nombran como alquilaminas, la terminación amina se agrega al nombre del grupo alquilo que lleva el nitrógeno. Cuando se nombran como alcanaminas, el grupo alquilo se escribe como un alcano, y la terminación -e se sustituye por -amina.
CH2
CH
CH2
CH3-CH2-NH2
NH2
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
CH2 CH2
NH2 CH2
Etilamina
Ciclohexamina
(etanamina)
(ciclohexanamina)
1 – Metilbutilamina (2-pentanamina)
Anilina es el nombre base de la IUPAC para los derivados del benceno sustituidos
por un amino. Los derivados sustituidos de la anilina se numeran comenzando en el carbono que contiene al grupo amino. Los sustituyentes se mencionan en orden alfabético, y la dirección de la numeración es determinada por la acostumbrada regla del “primer punto de diferencia”.
NH2 1
F
4
1
NH2 Br
p-
Fluoroanilina
5
2
CH2-CH3
5-Bromo- 2-etilanilina
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También las arilaminas se pueden nombrar como arenaminas. Así, bencenamina es un nombre alternativo de anilina, aunque rara vez se usa. Los compuestos con dos grupos amino se nombran añadiendo el sufijo -diamina al nombre del alcano o areno correspondientes. La -e final del hidrocarburo base se conserva.
NH2
H2N-CH2-CH-CH3 H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2CH2-NH2
NH2 1,2 Propanodiamina
1,6- Hexanodiamina
H2 N
1,4-Bencenodiamina
A los grupos amino se les da una prioridad muy baja cuando se identifica el compuesto base para asignar nombres. Los grupos hidroxilo y carbonilo tienen mayor prioridad que los grupos amino. En esos casos, el grupo amino se nombra como sustituyente. O
OH-CH2-CH2-NH2
1
HC
4
NH2
p- Aminobenzaldehído
2-Aminoetanol
(4-Aminobencenocarbaldehído) Los nombres de las aminas secundarias y terciarias se asignan como derivados N-sustituidos de las aminas primarias. La amina primaria base es la que tiene la cadena de carbonos más larga. Se agrega el prefijo N- como localizador para identificar, cuando es necesario, a los sustituyentes en el nitrógeno del amino.
NH-CH2-CH3 1
N-CH3-CH3
CH3-NH-CH2-CH 4
3
Cl
NO2
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N -Metiletilamina
4-Cloro-N -etil-3N,N(una amina secundaria) nitroanilina Dimetilcicloheptilamina (una amina secundaria) (una amina terciaria) Un nitrógeno que tiene cuatro sustituyentes tiene carga positiva, y se nombra como ion amonio. El anión que se asocia con él también se identifica en el nombre. + CH3-NH3-Clˉ
CH3 N-CH2-CH3-CF3-CO2ˉ
+ C6H5-CH2-N-CH3-CH3-CH3- I ˉ
H
Cloruro de metilamonio
Trifluoroacetato de N-etil-N Metilciclopentilamonio
Yoduro de benciltrimetilamonio (una sal cuaternaria de amonio)
Las sales de amonio que tienen cuatro grupos alquilo unidos al nitrógeno se llaman sales cuaternaria de amonio.
5.3 USOS DE AMI NA S Las aminas tetra sustituidas o sales de amonio cuaternario que tienen en su estructura una o dos cadenas hidrocarbonadas largas tienen propiedades tensas activas. - Desinfectantes: Debido a su poder antiséptico, bactericida y plaguicida (inhiben el
crecimiento de organismos mono-celulares como las bacterias y las algas). Las moléculas se orientan en la interface entre la membrana bacteriana y el agua o el aire, formando una película cerrada que impide la respiración del organismo y éste muere. Uno de los tensos activos usados para tal fin es cloruro de benzalconio. Son útiles para desinfectar heridas, granjas avícolas, piscinas y material sanitario. - Inhibidores de la corrosión : En tuberías metálicas o en los líquidos ácidos utilizados
para limpiar la herrumbre. La protección de la superficie metálica se debe a que se unen a la superficie metálica por la parte polar formando una capa protectora hidrófoba de una o dos moléculas de espesor. Esta capa es tan cerrada que evita que el ácido corrosivo ataque al metal.
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- Suavizantes de tejidos y cabellos : Las moléculas se fijan sobre las fibras por su
parte iónica formando una capa hidrófoba que impide su adherencia al secarse y proporciona suavidad. Los compuestos utilizados con este fin incluyen dos cadenas hidrocarbonadas largas en la molécula. Se emplean en: • Industria química. • Industria farmacéutica. • Industria de caucho, plástica, colorante, tejida, cosmética y metales.
Se utilizan como: • Productos químicos intermedios. • Disolventes. • Acelerado res del caucho • Catalizadores. • Emulsionantes. • Lubricantes sintéticos para cuchillas • Inhibidores de la corrosión • Agentes de flotación • Fabricación de herbicidas, pesticidas y colorantes.
Concretamente: METILAMINA: En la industria fotográfica como acelerador para reveladores, agente reblandecedor de pieles y cuero DIETILAMINA: Como inhibidor de la corrosión en las industrias metalúrgicas y como disolvente en la industria del petróleo. TRIETILAMINA: En la industria fotográfica como acelerador para reveladores. HEXAMETILENTETRAMINA: Como conservante de curtidos ETANOLAMINA: Agente reblandecedor de pieles y cuero DIISOPROPANOLAMINA: Agente reblandecedor de pieles y cuero 18
2-DIMETILAMINOETANOL: Controlador de la acidez del agua de las calderas. TRIETANOLAMINA: En jabones para la limpieza en seco, en la industria para la fabricación de tenso activos, ceras, barnices, herbicidas y lubricantes para cuchillas, para recuperar el sulfuro de hidrógeno de gas natural y crudo de petróleo con grandes proporciones de azufre, extrae tanto el dióxido de carbono como el sulfuro de hidrógeno del gas natural. ISOPROPANOLAMINA: En jabones para la limpieza en seco CICLOHEXILAMINA: En jabones para la limpieza en seco DICICLOHEXILAMINA: En jabones para la limpieza en seco ETILAMINA: Estabilizante para látex de caucho y como producto intermedio de tintes BUTILAMINA: Pesticida y líquido alcalino fuerte utilizado en las industrias del caucho, productos farmacéuticos y colorantes. ETILENDIAMINA: Líquido alcalino fuerte utilizado en la preparación de colorantes, aceleradores del caucho, fungicidas, ceras sintéticas, productos farmacéuticos, resinas, insecticidas y agentes humectantes para asfaltos DIMETILAMINA: En la industria del caucho como acelerador de la vulcanización, en la industria de curtidos y en la fabricación de jabones detergentes. ISOBUTANOLAMINA: En la industria del caucho como acelerador de la vulcanización. ETILENIMINA: En las industrias de papel, tejidos, petróleo, lacas y barnices, cosméticos y fotografía. DIETANOLAMINA: Agente depurante de gases, un producto químico intermedio y un emulsionante de productos agroquímicos, cosméticos y farmacéuticos.
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5.4 R E ACCI ONE S DE AMI NAS
Reacciones o comportamiento de las aminas La reacción con el ácido nitroso permite diferenciar entre aminas primarias, secundarias y terciarias. Así:
Las aminas primarias reaccionan con desprendimiento de nitrógeno:
R—CH2—NH2 + HONO amina primaria
R—CH2OH alcohol
+ H2O
Las aminas secundarias reaccionan lentamente en caliente con el ácido nitroso formando nitrosaminas con apariencia aceitosa:
R—NH—R' + HONO amina secundaria
+ N2
R—NNO—R' + H2O nitrosamina
Las aminas terciarias tratadas con exceso de ácido nitroso conducen a la formación de nitritos:
R—NR'—R'' + HONO amina terciaria
R—N(R')HNO2 —R nitrito de trialquilamonio
5.4.1 COND E NSACI ÓN DE AMI NAS CON CE TONAS Y AL DE H Í DOS Los aldehídos (R-CHO) y las cetonas (R 2-CO) son la clase de compuestos que más se encuentran en estado natural. En la naturaleza, muchas de las sustancias que requieren los organismos vivos son los aldehídos o cetonas. Por ejemplo, el aldehído fosfato de piridoxal es una coenzima presente en un gran número de reacciones metabólicas; las cetona hidrocortisona es una hormona esteroidal que segregan las glándulas suprarrenales para regular el metabolismo de las grasas, las proteínas y los carbohidratos. Las aminas primarias, RNH 2, se adicionan a los aldehídos y a las cetonas para producir iminas, R2C=NR. Las aminas secundarias, R 2-NH, se adicionan de manera similar para producir enaminas, R2N─CR=CR2 (eno + amina = amina insaturada). 20
Las iminas son particularmente comunes como intermediarios en muchas rutas biológicas, donde con frecuencia se llaman bases de Shiff. Por ejemplo, el aminoácido alanina, se metaboliza en el organismo por la reacción con el aldehído fosfato de piridoxal (PLP), un derivado de la vitamina B 6, para producir una base de Shiff que se degrada posteriormente.
La formación de iminas y la de enaminas parecen diferentes debido a que una conduce a un producto con un enlace C=N y la otra conduce a un producto con un enlace C=C. Aunque en realidad las reacciones son muy similares, ambas son ejemplos típicos de reacciones de adición nucleofílica en las que el agua se elimina del intermediario tetraédrico formado inicialmente y se forma un nuevo enlace C=Nu. Las iminas se forman en un proceso reversible catalizado por ácidos que comienza con la adición nucleofílica de la amina primaria al grupo carbonilo, seguida por la transferencia de un protón del nitrógeno al oxígeno para producir un amino alcohol neutro, o carbinolamina. La protonación del oxígeno de la carbinolamina por un catalizador ácido convierte al ˉOH en un mejor grupo saliente (ˉOH 2 +), y la pérdida como la de una reacción E1 del agua produce un ion imino. La pérdida de un protón del nitrógeno da el producto final y regenera al catalizador ácido.
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La formación de iminas y enaminas es lenta a pH alto y a pH bajo, pero alcanza una rapidez máxima a un pH débilmente ácido de alrededor de 4 a 5. Por ejemplo, el perfil de pH frente a la rapidez, para la reacción entre la acetona y la hidroxilamina, NH2OH, indica que la rapidez de reacción máxima se obtiene a un pH de 4.5. Podemos explicar la dependencia del pH que se observa en la formación de iminas analizando los pasos individuales en el mecanismo. Se requiere un catalizador ácido en el paso 3 para protonar a la carbinolamina intermediaria, lo que convierte al –OH en un mejor grupo saliente. Por lo tanto, la reacción será lenta si no hay ácido suficiente (esto es, a pH elevado). Por otro lado, si hay mucho ácido (pH bajo), se protona por completo el nucleófilo básico, la amina, por lo que no puede ocurrir el paso inicial de adición nucleofílica. Evidentemente, un pH de 4.5 representa un punto medio entre la necesidad de un poco de ácido para catalizar el paso de deshidratación que es el limitante de la rapidez, pero no demasiado ácido, a fin de evitar la protonación total de la amina. Cada reacción de adición nucleofílica individual tiene sus propios requerimientos, y deben optimizarse las condiciones de reacción para obtener la rapidez de reacción máxima. La formación de iminas a partir de reactivos como la hidroxilamina y la 2,4dinitrofenilhidracina en algunas ocasiones es útil debido a que los productos de estas reacciones —oximas y 2,4-dinitrofenilhidrazonas , respectivamente — con frecuencia son cristalinas y fáciles de manejar. Tales derivados cristalinos se preparan ocasionalmente como un medio de purificación y caracterización de las cetonas o los aldehídos líquidos.
oxima N →
OH
+ NH2-OH
+ H 2O
ciclohexanona
Hidroxilamina
Oxima ciclohexanona (pf 90 °C)
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2,4-dinitrofenil-hidrazona H O
H
N
C CH
NO
CH
+
N
NH2
+
N NO
Acetona
NO
2,4- dinitrofenilhidracina
H2
C CH
CH
NO
2,4- dinitrofenil-hidrazona de la acetona (pf 126 °C)
La reacción de un aldehído o de una cetona con una amina secundaria, R 2NH, en vez de con una amina primaria, produce una enamina. El proceso es idéntico a la formación de iminas hasta el paso del ion iminio, pero en este punto no hay un protón en el nitrógeno que pueda perderse para formar una imina neutra como producto. En cambio, un protón se pierde del carbono vecino (el carbono α), lo que
produce una enamina
5.4.2
SUSTI TUCI ÓN
AR OMÁ TI CA
E LE CTR OF I LI CA
DE
LAS
AR I LAMI NA S Las aminas en las que el grupo –NH2 está directamente unido a un anillo aromático se denomina de modo genérico como arilaminas y se representan AR-NH2, donde AR puede ser cualquier sistema aromático. Las más simples es la derivada del benceno que se denomina bencenamina, aunque siempre se conoce por su nombre como Anilina, Bencidina, Toluidina son también conocidos por sus nombres comunes.
NH2
NH2
NH2
Bencidina
Anilina
Sustitución aromática electrofilica 23
Las arilaminas contienen dos grupos funcionales: el grupo amino y el anillo aromático; son compuestos disfuncionales. La reactividad del grupo amino es afectada por su sustituyente arilo, y la reactividad del anillo es afectada por su sustituyente amina. La misma deslocalización electrónica que reduce la basicidad y el carácter nucleofílico del nitrógeno de una arilaminas aumenta la densidad electrónica en el anillo aromático y hace que las arilaminas sean extremadamente reactivas frente a la sustitución electrofilica aromática. Se hizo notar la reactividad : : : 2 son directores de las arilaminas en la sección, donde se dijo que –NH 2,-NHR y –NR : orto, para, así como grupos activadores extremadamente poderosos. Esos sustituyentes son activadores tan poderosos que la sustitución electrofilica aromática sólo se efectúa rara vez, directamente, en las arilaminas. La nitración directa de la anilina y otras arilaminas falla, porque la oxidación causa la f ormación de “alquitranes” de color oscuro. Para solucionar este problema, se adopta la práctica normal de proteger primero al grupo amino por acilación, ya sea con cloruro de acetilo o con anhídrido acético. O
Ar-NH2 Arilamina
O
CH3-C-Cl
Ar-NH-C-CH3
O bien CH3-C-O-C-CH3
N-Acetilarilamina
O O
La resonancia de la amida del grupo N-acetilo compite con la deslocalización del par solitario del nitrógeno hacia el anillo. La protección del grupo amino de una arilamina en esta forma modera su reactividad y permite la nitración del anillo. El grupo acetamido es activador hacia la sustitución electrofilica aromática, y es director orto, para: O
NH2
O
NH-C-CH3 O
NH-C-CH3
O
NO2
CH3-C-O-C-CH3
HNO3, 20°C
(Paso de protección)
(Paso de nitración)
CH-CH3-CH3 p-Isopropilanilina
CH-CH3-CH3 p-Isopropilacetanilida (98%) 24
CH-CH3-CH3 4-Isopropil-2-nitroacetanilida 94%
Después de que el grupo protector N-acetilo ha desempeñado su finalidad, se pu ede eliminar por hidrólisis, para restaurar el grupo amino:
O
H2O, HO-
Ar-NH-C-CH3
O bien
Ar-NH2
1.- H3O+
N-Acetilarilamina
2.-HO
Arilamina
O
NH2
NH-C-CH3 NO2
NO2 KOH, etanol Calor (Paso de desprotección)
CH-CH3-CH3
CH-CH3-CH3 4-Isopropil-2-nitroacetanilida (100%)
4-Isopropil-2-nitroacetanilida
El efecto neto de la secuencia protección-nitración-desprotección es igual que si el sustrato se hubiera nitrado directamente. Sin embargo, como es imposible la nitración directa, la ruta indirecta es el único método práctico. Las arilaminas no protegidas son tan reactivas hacia la halogenación, que es difícil limitar la reacción a una monosustitución. En general, la halogenación procede con rapidez y se reemplazan todos los hidrógenos disponibles que sean orto y para respecto al grupo amino. NH2
NH2 Br Br 2
25 cido acético
Br
Al disminuir la capacidad donadora de electrones de un grupo amino, por acilación, es posible limitar la halogenación a la monosustitución. CH3
CH3 O
O Cl2
Cl cido acético
4-Cloro-2-metilacetanilida (74%)
2-Metilacetanilida NH-C-CH3
NH-C-CH3
En general, las reacciones de Friedel-Crafts no son buenas cuando se intentan con una arilamina, pero se pueden efectuar con facilidad una vez que se haya protegido al grupo amino. O
O
AlCl3
O CH3-C
NH-C-CH3 + CH3-C-CL CH2-CH3
O NH-C-CH3 CH2-CH3
2-Etilacetanilida En una arilamina, los electrones no enlazantes en4-Acetamido-3-etilacetofenona el átomo de nitrógeno ayudan a estabilizar los intermediarios resultantes del ataque electrofilico en las posiciones
26
orto o para, con respecto a la amina sustituyente. Como resultado, los grupos amino son fuertemente activantes y directores orto y para. Las reacciones siguientes muestran la halogenación de los derivados de la anilina, que se efectúa fácilmente sin catalizador. Si se usa un exceso de reactivo todas las posiciones orto y para no sustituidas con respecto al grupo amino, son sustituidas
: NH2
: NH2 Exceso de Br 2
Br
Br + 3HBr
Anilina
Br 2, 4,6- tribromoanilina
: NH2
: NH2 NO2 Cl2 en exceso
Cl
NO2 + 2HCl
Cl 2, 4,6- tribromoanilina
Anilina
Sin embargo, se debe tener cuidado en las reacciones con derivados de anilina. Los ácidos fuertes protonan al grupo amino, dando una sal de amonio que tiene carga + positiva completa. El grupo NH3 es desactivador (y permisor meta). Por lo tanto, los reactivos muy ácidos no son adecuados para sustituciones en derivados de anilina. Los ácidos oxidantes (como los ácidos nítrico y sulfúrico) pueden oxidar al grupo amino, conduciendo a su descomposición y, a veces, a reacciones violentas.
27
: NH2
+ NH 3+
Acido fuerte
Activada
Desactivada
: NH2
+
HNO3 (conc.) H2SO4 (conc.)
Oxidación del grupo –NH2 (Puede arder o explotar)
5.4.3 SUSTI TUC I ÓN AR OMÁ TI CA NUCLE OF I LI CA DE LA PI RI DI NA
La piridina (también denominada Azabenceno, azina, py) con fórmula molecular C5H5N y masa molecular: 79.10, es un líquido incoloro de olor desagradable, similar al pescado en mal estado. Pertenece a la familia de los compuestos aromáticos heterocíclicos, y está estructuralmente relacionada al benceno, siendo la única diferencia entre ellos el reemplazo de un grupo CH del anillo bencénico por un átomo de nitrógeno. El olor puede llegar a ser nauseabundo y provocar estornudos.
La estructura de la piridina es similar a la estructura del benceno excepto que un átomo de nitrógeno remplaza a uno de los átomos de carbono; al igual que el benceno, es una sustancia aromática. 28
La piridina es líquida a temperatura ambiente; con punto de ebullición a 116°C, es miscible en agua, etanol y benceno Un anillo de piridina es parte de la estructura de dos vitaminas B: la niacina y la piridoxina. CH2-N-CH2 COOH
CH2-OH
OH CH3
N
N
Piridoxina (vitamina B 6)
Niacina
La niacina también se denomina acido nicotínico, se encuentra en la mayoría de los organismo. Químicamente se convierte en el dinucleotido de adenanina y nicotinamida NAD, una coenzima que presenta reacciones de oxidación y reducción en el metabolismo celular. El sitio especifico de la oxidación y la reducción del NAD es el anillo de piridina.
Nomenclatura El nombre sistemático de la piridina, dentro de la nomenclatura de HantzschWidman recomendada por la IUPAC, es azina. Sin embargo, los nombres sistemáticos para compuestos simples son raramente utilizados, por lo que la nomenclatura de los heterociclos sigue a los nombres comunes. La IUPAC no recomienda el uso de azina en vez de piridina. La numeración de los átomos del anillo de piridina comienza en el nitrógeno. También se utiliza la distribución de las posiciones de los carbonos según el alfabeto griego (α-γ) y cuando se habla de los patrones de sustitución se utiliza (orto, meta y para). Aquí α (orto), β (meta) y γ (para) se refieren a las posiciones 2, 3 y 4 del
anillo respectivamente. El nombre sistemático de los derivados de piridina es piridinil, donde la posición del sustituyente es precedida por un número. Sin embargo en este caso también la IUPAC no aconseja el uso optando por el nombre común piridil en vez del sistemático. El derivado catiónico formado por la adición de un electrófilo al nitrógeno es llamado piridino. Br
N
29
N
N
4-bromopiridina
2,2-bipiridina
Ácido piridina-2,6-dicarboxílico (Ácido dipicolínico)
Catión piridinio
Sustitución Aromática Nucleofilica La piridina esta desactivada hacia un ataque electrofilico, pero está activa hacia e ataque por nucleófilos: sufre substitucion nucleofilica aromática. Si hay un buen grupo saliente ya sea en la posición 2 o en la posición 4, puede atacar el nuclèofilo y desplazar al grupo saliente. La reacción que aparece abajo muestra un ataque nucleofìlico en la posición 2. El intermediario se estabiliza por deslocalización de la carga negativa en el átomo electronegativo de nitrógeno. Esta estabilización no es posible si el ataque se efectuara en la posición 3. Ataque nucleofìlico en la posición 2 (observado).
Ataque nucleofìlico en la posición 3 (no se observa).
30
El ataque de nucleófilos sobre la piridina se da preferentemente en la posición C-2 y/o en C-4 como se puede predecir de las estructuras resonantes de los intermedios de reacción
La
salida de hidruro (mal grupo saliente) es la etapa lenta y por tanto limitante de la reacción. La presencia de oxigeno u otros oxidantes favorecen la velocidad de reacción al facilitar la rearomatizacion mediante oxidación del intermedio a piridina. La reacción de aminacion de chichibabin es una reacción SN Ar en la cual se forman 2-aminopiridina. El tratamiento de piridina con amiduro sódico NaNH 2 (sodamina) a 140°C da a lugar a la formación del producto de sustitución que actúa como base y regenera la cantidad de NaNH2a adicionad así como hidrogeno. La reacción se da regioselectivamente en posición c-2 debido a la estabilización del intermedio mediante el ion sódio.
La reacción SN Ar puede facilitarse con la presencia de grupos atrayentes de electrón y además tenga buenas propiedades como grupos salientes. Es el caso de las
31
halopiridinas sustituidas en posiciones C-2 y C-4. La sustitución tiene preferencia en la posición del halógeno.
Las reacciones de adicion-sustituion ocurre con una gran variedad de reactivos como NaOMe, PhSH, PhNHMe y NH 2NH2.
La sustitución en 3-Cloropiridina no se observa excepto en el caso 3-bromopiridina donde la reacción transcurre a través de un mecanismo E1cb con la formación de 3,4-piridino.
La formación de 3,4-piridino se da cuando el nuclèofilo es una base fuerte. Tanto el 3-bromo y 4-bromopiridina forman el 3,4-piridino. Sin embargo no se obtiene el isómero 3,4-piridino por eliminación.
32
La reacción de SN Ar ocurre en las sales del piridino y en el N-oxido con mayor facilidad debido a que el nitrógeno tiene mayor carácter electrón atrayente.
5.4.4 ACI LAC I ON DE AMI NAS CON CL ORUR OS DE ÁCI DO
En química, la acilación (raramente, pero más formalmente: alcanoilación) es el proceso de agregar un grupo acilo a un compuesto. El compuesto que provee el grupo acilo es denominado el grupo acilante. Debido a que forman electrófilos fuertes cuando son tratados con algún metal, los halogenuros de acilo son usados comúnmente como agentes acilantes. Por ejemplo, la acilación de Friedel-Crafts utiliza cloruro de acetilo, CH3COCl, como el agente acilante, y cloruro de aluminio (AlCl3) como catalizador para agregar un grupo etanoílo (acetilo) al benceno:
El mecanismo de esta reacción es la sustitución electrofílica aromática. Los halogenuros de acilo y anhídridos de ácido son también usados comúnmente como agentes acilantes para acilar aminas para formar amidas o acilar alcoholes para formar ésteres. Las aminas y los alcoholes son nucleófilos. El ácido succínico también es usado comúnmente para un tipo específico de acilación denominado succinación. 33
Un uso industrial de la acilación es en la síntesis de aspirina, en la que el ácido salicílico es acilado por el anhídrido acético. Acilación de aminas primarias y secundarias. La acilación de una amina consiste en reemplazar un átomo de hidrogeno del grupo funcional por un grupo acilo R CO por acción de un anhídrido o cloruro de ácido, solo o en presencia de catalizador. Como las aminas terciarias carecen de enlace N-H disponible, no pueden acilarse. Aminas Primarias: R-NH2 + (CH3CO) 2O
R-NH-CO-CH3+CH3-COOH
R-NH2 + CH3-COCl
R-NH-CO-CH3+HCl
La diacilacion es más difícil y requiere condiciones especiales: CO-CH3 R-NH2 + 2CH3-COCl
+ 2HCl
R-N CO-CH3
Aminas secundarias: R
R R
NH + (CH3-CO) 2O
N-CO-CH3 + CH3--COOH
R
Acilación de aminas por cloruro de acilo Las aminas primarias y secundarias reaccionan con los halogenuros de acilo para formar amidas. Esta reacción es un ejemplo de la sustitución nucleofilica del acilo, en donde un nuclèofilo toma el lugar de un grupo saliente en el carbono del carbonilo, En este caso, el ion cloruro se sustituye con la amina.
O
O
R-C-NH--R + HCl
R-NH2 + R-C-Cl
La amina ataca al grupo carbonilo de un cloruro de ácido de la misma forma que ataca al grupo carbonilo de una cetona o un aldehído. El cloruro de ácido es más 34
Cl
reactivo que una cet0na o un aldehído, porque el átomo electronegativo de cloro atrae a la densidad de electrones y las retira del carbono de carbonilo, con lo que este es más electrofilico. El átomo de cloro también es un buen grupo saliente. El intermediario tetraédrico expulsa un ion cloruro para formar la amida O
R--C--Cl + R--NH2
R
C Cl
+NH2
Cloruro de acido
O
O
Amina
O
H
R-C-NH-R
R
Intermediario Tetraédrico
R-C-NH-R Amida
+ HCl
O
O
C Cl + CH 3 NH2
C NHCH3 + HCl (95%)
Hay pocas posibilidades de que la amida que se produce en esta reacción participe en acilaciones posteriores. Las amidas están estabilizadas por una estructura de resonancia que implica los electrones no enlazantes del nitrógeno y también coloca una carga positiva en el nitrógeno. Como resultado, las amidas son mucho menos básicas y menos nucleofílicas que las aminas. La menor basicidad de las aminas se puede emplear ventajosamente en las rea cciones de Friedel- Crafts.Por ejemplo, si se acetil el grupo amino en la anilina para dar acetanilida, el grupo amida resultante sigue siendo grupo activador y director orto y par
5.4.5 AMI NAS CON
GR UPOS SA LI E NTE S:
E LI MI NACI ÓN
DE
HOFMANN Al igual que los alcoholes, las aminas pueden convertirse en alquenos por una reacción de eliminación; sin embargo, debido a que el ion amiduro, NH 2ˉ, es un mal grupo saliente, primero debe convertirse en un buen grupo saliente. En la reacción de eliminación de Hofmann, se metila una amina por la reacción con exceso de yodometano para producir una sal cuaternaria de amonio, la cual experimenta una eliminación para dar un alqueno al calentarse con una base, típicamente óxido de plata, Ag2O; por ejemplo, la 1-metilpentilamina se convierte en 1-hexeno con un rendimiento de 60%.
35
→ Ag O 2
CH3-CH2-CH2-CH2CH-CH3 1-metilpentilamina
H2O Calor
CH3-CH2-CH2-CH2-CHCH3 Yoduro de trimetilamonio
CH3-CH2-CH2-CH2CH=CH2 1-hexeno (60%)
Cuando se calientan los hidróxidos cuaternarios de amonio, sufren eliminación para formar un alqueno y una amina.
→160 °C
CH2
Hidróxido de (cicloheximetil) trimetilamonio
+
Metilenociclohexano (69%)
(CH3)3N :
trimetilamina
+ H2O
Agua
A esta reacción se le llama eliminación de Hofmann; fue desarrollada por August W. Hofmann a mediados del siglo XIX, y es, al mismo tiempo, un método de síntesis para preparar alquenos y un método analítico para determinación de estructura. Un aspecto novedoso de la eliminación de Hofmann es su regioselectividad. La eliminación de los hidróxidos de alquiltrimetilamonio procede en la dirección en la que se obtiene el alqueno menos sustituido. CH3-CH-CH2-CH3-HOˉ Calor → +
N(CH3)3
-H2O
H2C=CH-CH2-CH3
+
CH3-CH=CH-CH3
-(CH3)3 N
Hidróxido de secbutiltrimetilamonio
1- Buteno (95%)
2- Buteno (5%) (cis y trans)
El hidrógeno con menor impedimento estérico es eliminado por la base en las reacciones de eliminación de Hofmann. Los grupos metilo se desprotonan con 36
preferencia a los grupos metileno, y los grupos metileno se desprotonan antes que los metinos. La regioselectividad de la eliminación de Hofmann es contraria a la que predice la regla de Zaitsev. Se dice que las reacciones de eliminación de los hidróxidos de alquiltrimetilamonio obedecen la regla de Hofmann, pues producen el alqueno menos sustituido. Se puede comprender la regioselectividad de la eliminación de Hofmann si se comparan los efectos estéricos en los estados de transición E2, para la formación de 1-buteno y trans-2-buteno, a partir del hidróxido de sec -butiltrimetilamonio. En cuanto a su tamaño, el (CH 3)3Nˉ (trimetilamonio) es comparable al (CH 3)3Cˉ (terbutilo). El estado de transición E2 requiere una relación anti entre el protón que se elimina y el grupo trimetilamonio. No hay serias repulsiones de van der Waals que sean evidentes en la geometría del estado de transición, para la formación del 1buteno. Sin embargo, la conformación que lleva al trans-2-buteno está desestabilizada por la tensión de van der Waals entre el grupo trimetilamonio y un grupo metilo, oblicuo respecto a él. Así, la energía de activación para la formación del trans-2-buteno es mayor que para el 1-buteno, que es el producto principal porque se forma con mayor rapidez. Como su regioselectividad es contraria a la de la regla de Zaitsev, a veces se usa la eliminación de Hofmann para preparar alquenos que no se pueden obtener por deshidrogenación de halogenuros de alquilo. La importancia de esta aplicación bajó cuando se estableció la reacción de Wittig como método de síntesis. En forma parecida, la mayoría de las aplicaciones analíticas de la eliminación de Hofmann han sido sustituidas por métodos espectroscópicos.
a) menos impedido: conformación que lleva al 1-buteno por eliminación anti:
b) Más impedido: conformación que lleva al trans-2-buteno por eliminación anti:
37
38
5.4.6 OXI DACI ÓN DE AMI NAS. LA E LI MI NA CI ÓN DE COPE
La eliminación de Cope Las aminas se oxidan con facilidad durante su almacenamiento cuando están en contacto con el aire. La oxidación atmosférica es una de las razones por las que normalmente las aminas se convierten en sus sales de amonio para almacenarlas o usarlas como medicamentos. Algunos de los estados de oxidación de las aminas se muestran a continuación: +
N
C
N
N
O
O
R
N
OH
N
N O
Sal de amonio
amina
Imina
xido de amina
Hidroxilamina
Nitrocompuesto
La mayor parte de las aminas se oxidan con agentes oxidantes como H 2O2 o ácido m-cloroperoxibenzoico. Las aminas primarias se oxidan con mucha facilidad, pero con frecuencia se obtienen mezclas complejas de productos. Las aminas secundarias se oxidan fácilmente para dar hidroxilaminas, aunque también se forman varios subproductos y R con frecuencia los rendimientos son bajos. R
N H
+
H2O2
R
N
O
H + H2O (o Ar-CO2-H)
(o Ar-CO3-H) Hidroxilamina
Amina
Las aminas terciarias se oxidan, con H 2O2 o ácido m-cloroperoxibenzoico, a óxidos de amina con buenos rendimientos. R
R
Amina terciaria
N
+ H2O2
R
(o ArCO3H)
xido de amina terciaria
R
R
N
O
+
H2O (o ArCO2H)
R
Debido a la carga positiva en el átomo de nitrógeno, los óxidos de amina pueden participar en reacciones de eliminación, denominadas reacciones de eliminación de Cope. El oxígeno del óxido de amina es el centro básico que se requiere en el proceso de eliminación. La eliminación se efectúa a través de un estado de 39
transición cíclico y transcurre, por lo general, con la misma orientación que la eliminación de Hoffman, proporcionando el alqueno menos sustituido.
5.4.7 F ORMACI ÓN DE SALE S DE DI AZONI O Las aminas experimentan reacciones interesantes con el ácido nitroso, HNO 2. Los productos de reacción dependen de si la amina es primaria, secundaria o terciaria y de si es aromática o alifática. Con las aminas primarias, la reacción con el ácido nitroso va más allá de la etapa de nitrosamina y se produce un compueto diazonio. H H H | | | + + + R—N—N=O + H ↔ [ R—N—N=O H ← R—N =N—OH ] ** ** H | R—N+=N—OH ↔ R—N=N—OH + H+ Los compuestos de alcanodiazonio son sumamente inestables y se descomponen incluso a bajas temperaturas, dando nitrógeno así como diversos productos e intermedios, incluyendo carbocationes. Un ejemplo de ello es la reacción de la nbutilamina con ácido nitroso generado in situ a partir del nitrito sódico y ácido clorhídrico acuoso.
NaNO2 HCl
CH3-CH2CH2-CH2-NH2 + CH 2-CH2-CH2-Cl H O n-Butilamina 2
25° C
OH | CH3-CH2-CH2-CH2-OH + CH3-CH2-CH-CH3 + CH3-
CH3 CH3-CH2-CH-Cl-CH3 + CH3-CH2-CH=CH2 + 2-Clorobutano
1-Cloro-
Secbutanol
Butanol
1-Buteno
CH3
C=C H
+ H
Cis-2-buteno
40
CH3
H
C=C H
CH3
Trans-2-buteno
La reacción más importante de las anilinas no sustituídas en el nitrógeno es su transformación en sales de diazonio, intermedios en la preparación de numerosos derivados aromáticos. En particular, las aminas reaccionan con el anión nitrito en medio ácido. Por ejemplo, en el medio estomacal, donde la concentración de HCl(aq) es elevada y por lo tanto el pH muy bajo, se forma ácido nitroso, HNO2, que es un ácido débil (pKa = 3.37) e inestable que debe ser preparado in situ tratando NaNO2 con una disolución acuosa de un ácido fuerte. De hecho, el HNO2 tiende a desproporcionar hasta NO y HNO3, aunque en medio fuertemente ácido se favorece la formación del catión nitrosilo, NO+, cuya concentración en el equilibrio es baja. NaNO2
+ HCl -NaCl
+ HCl
-H2O
HNO2
N=O
NOCl
H O+ H Cl Ahora bien, este catión tiene naturaleza electrofílica (es un ácido de Lewis muy fuerte) y puede ser atacado por aminas naturales de carácter nucleofilo para dar sales de N -nitrosamonio. R3N + NOCl
R3N2OCl
Amina + Cloruro de nitrosilo
Cloruro de Nnitrosamonio
Ahora bien, este catión tiene naturaleza electrofílica (es un ácido de Lewis muy fuerte) y puede ser atacado por aminas naturales de carácter nucleofilo para dar sales de N -nitrosamonio.
De modo que las aminas terciarias dan sales de N -nitrosamonio terciarias que solo son estables a T bajas y que descomponen a T más altas para dar una mezcla de aldehídos, o cetonas. De modo que el interés sintético de estas reacciones es escaso. Las aminas secundarias tanto alifáticas como aromáticas generan N nitrosaminas. Inicialmente dan sales de N -nitrosamonio secundarias que evolucionan espontáneamente hasta las dialquil- N -nitrosaminas o alquilarilN -nitrosaminas (N -nitrosaminas), como productos principales, por desprotonación (eliminación de HCl).
41
Finalmente, si el grupo R es un alquilo ( aminas alifáticas ) estos cationes diazonio también son inestables y tienden a liberar N2 espontáneamente y formar los correspondientes carbocationes, que también son muy reactivos y experimentan diversas transformaciones. Por ejemplo, el carbocatión puede perder un protón en β y formar un alqueno, o puede sufrir diferentes ataques nucleofílicos, de modo que puede ser capturado por una molécula de H2O para formar el correspondiente alcohol, o reaccionar con un halogenuro para formar un haluro de alquilo, o ser atrapado por nucleobase (alquilación, metilación). En definitiva, la reacción da mezclas complejas de varios productos y es peligrosa en la medida en la que la liberación de N2 puede ser explosiva. Si, por el contrario, el grupo R es un arilo (aril aminas), la sal de arildiazonio resultante es suficientemente estable a T relativamente bajas (< 5 ᵒC) como para ser aislada, ya que el carbocatión de tipo fenilo no está estabilizado y la liberación de N2 no está tan favorecida. Ahora bien, el grupo diazonio puede ser fácilmente reemplazado por otros grupos funcionales (-F, -Cl, -Br, -I, -CN, -OH, -COOH) difíciles de introducir en anillos aromáticos, de modo que en este caso la diazotización tiene un gran interés sintético.
NH2
+NaNO2 +HCl
Alquilamina primaria
NH2 Arlamina primaria
-N2
N
N
+
Sal de diazonio
Carbocartión
+NaNO2 +HCl
N2Cl Sal de diazonio (Aril diazonio)
42
5.4.8 R E ACCI ONE S DE LAS SAL E S DE DI AZONI O
Las sales de arenodiazonio experimentan una reacción de acoplamiento con anillos aromáticos activados como fenoles y arilaminas para producir compuestos azo, ArN=N-Ar ’, de colores brillantes. **
Y
N N
**
Sal de
N=
Y
+
Un compuesto
Fenol/Arilamina
Donde Y = —OH o —NR2 Las reacciones de acoplamiento del diazonio son sustituciones electrofílicas aromáticas típicas en las que el ion diazonio cargado positivamente es el electrófi lo
que reacciona con el anillo rico en electrones de un fenol o de una arilamina. La reacción ocurre por lo general en la posición para. OH **
N N
OH
+ Bisulfato de bencendiazonio
N=
**
p-
Feno
Hidroxiazobneceno (cristales
Los productos acoplados azo se utilizan ampliamente como colorantes para telas debido a que su sistema de electrones conjugado extendido ocasiona que absorban en la región visible del espectro electromagnético; por ejemplo, el p(dimetilamino)azobenceno es un compuesto amarillo brillante que fue utilizado alguna vez como agente colorante en la margarina. CH CH N
N N
N
+ Bisulfato de bencendiazonio
**
CH N=
CH
N,N p-(Dimetilamino)
azobenceno (cristales amarillos)
43
CONCLUSIÓN
Las aminas se clasifican comúnmente en tres grupos, aminas primarias, secundarias y terciarias las cuales son determinadas según el número de radicales o sustituyentes unidos al átomo de nitrógeno. Así mismo, esto les da a los grupos de aminas características únicas que las diferencian entre sí, un ejemplo claro es la reacción que sufren con el ácido nitroso (NO 2H). Además de que estás no sólo se presentan únicamente como cadenas lineales, ya que tienen también estructuras cíclicas, estás estructuras, haciendo énfasis al benceno, les dan otras características como son los olores. Las aminas son importantes tanto en la industria como en nuestro propio cuerpo, puesto que no sólo se utilizan para caucho o colorantes (por mencionar algunos ejemplos), en el cuerpo juegan un rol importante como la adrenalina, que juega un papel fundamental como un neurotransmisor en el sistema nervioso central, ya que permite el paso de información de una célula nerviosa a otra, otro caso es el de la noradrelina, es un neurotransmisor y hormona que actúa en múltiples puntos del organismo humano, a nivel cerebral, esta sustancia presenta un efecto excitatorio, si bien algunos de sus receptores tienen función inhibitoria. Participa tanto en la transmisión de mensajes entre zonas del cerebro como con el exterior, poseyendo una gran participación en el sistema nervioso simpático. Las aminas hacen parte de la naturaleza, en los aminoácidos que conforman las proteínas componente esencial del organismo de los seres vivos. Que al degradar las proteínas se descomponen en distintas aminas Otra propiedad de las aminas es su olor. Las de bajo peso molecular huelen a pescado. Las diaminas (tales como putrescina [1,4-diaminobutano]) tienen olores pútridos como su nombre sugiere.
44