Aminas (2014)Parte A

Curso: QUIMICA ORGANICA III

Profesora: Luz Marina Jaramillo G.

Conferencia No. 2: AMINAS Parte A

1. Estructura y Nomenclatura

Las aminas son derivados orgnicos del amonaco (NH3). Son los compuestos de naturaleza bsica ms importantes de la qumica orgnica. En las aminas los hidr-genos del amonaco han sido reemplazados por uno, dos o tres grupos alquilo (R),

Luz Marina Jaramillo Gmez

genos del amonaco han sido reemplazados por uno, dos o tres grupos alquilo (R), dando lugar a aminas primarias, secundarias o terciarias respectivamente.

Observe que la utilizacin de estos trminos no tiene el mismo significado estructu-ral que en los alcoholes. Mientras en las aminas dichos trminos se refieren al nmero de carbonos unidos al tomo de nitrgeno, en los alcoholes se refieren al nmero de carbonos unidos al carbono que tiene el grupo OH.

En la nomenclatura IUPAC el sufijo amina se aade a la raz principal de un alca-no (de acuerdo al nmero de Cs) en lugar de la letra o, para designar las aminas primarias, en este caso no se cuenta ni se numera el tomo de nitrgeno. Las ami-nas secundarias y terciarias se consideran como aminas primarias sustituidas, utili-zando la letra N para indicar que el sustituyente se encuentra sobre el tomo de ni-trgeno.


trgeno.No obstante es frecuente utilizar el radical hidrocarburo como si fuera un sustitu-yente seguido del sufijo ilamina. Ello equivale a nombrar las aminas como si fueran derivadas del amonaco. Ejemplos:

En otros compuestos con grupos funcionales dominantes, el grupo amino o alquil-amino se nombra como sustituyente del compuesto patrn.

Cuando el grupo amino o alquilamino est unido directamente al anillo aromtico se tienen las aminas aromticas, derivadas del compuesto patrn fenilamina (o


se tienen las aminas aromticas, derivadas del compuesto patrn fenilamina (o anilina ) pero hay tambin anilinas sustituidas en el N o en el anillo aromtico:

Por otro lado, existen las sales de las aminas que por lo general toman su nombre al reemplazar amina por amonio (o anilina por anilinio) anteponiendo el nombre del anin ( cloruro de, nitrato de, sulfato de, etc.)

A su vez, las aminas cclicas pueden exhibir uno o mas tomos de nitrgeno como parte del anillo, siendo compuestos heterocclicos. El nitrgeno del anillo se nom-bra con el prefijo aza, al usar la nomenclatura sistemtica de la IUPAC. Ejemplos:


bra con el prefijo aza, al usar la nomenclatura sistemtica de la IUPAC. Ejemplos:

Tambin existen aminas con nitrgenos haciendo parte de un anillo aromtico, son comunes:

II. Propiedades Fsicas de las Aminas


Las aminas son fuertemente polares debido al gran momento de dipolo () delpar de electrones solitario que se adiciona a los s de los enlaces: CH y H N. Por otro lado, las aminas 1rias. y 2rias. tienen enlaces N-H que les permite hacer enlaces de H. Las aminas 3rias. pueden a su vez aceptar Hs que estn unidos a molculas que tengan enlaces O-H o N-H.

II. Propiedades Fsicas de las Aminas

Debido a que el N es menos electronegativo que el O, el enlace N-H es menos Debido a que el N es menos electronegativo que el O, el enlace N-H es menos polar que O-H, por lo tanto las aminas forman enlaces de H mas dbiles que losalcoholes de PMs similares. En consecuencia, las aminas 1rias y 2rias exhiben puntos de ebullicin mas bajos que los alcoholes, pero mas altos que aquellos de los teres con PMs similares.


Las aminas 3rias que no tienen enlaces N-H presentan p.e.s mas bajos que las aminas 1rias y 2rias con PMs similares. La Tabla 1 hace comparaciones de puntos de ebullicin de aminas con otros compuestos.

Tabla 1 Comparacin de los Puntos de Ebullicin de un ter, Alcohol y Aminas con Pesos moleculares similares

Por su parte la Tabla 2 presenta las propiedades fsicas de varias aminas.


Tabla 2. Propiedades Fsicas de algunas aminas simples


Todas las aminas, aun las 3rias. forman enlaces de H con los disolventes hidro-xlicos tales como el agua y los alcoholes. Por lo tanto las aminas son solubles en alcoholes y las de bajo peso molecular (hasta 6 carbonos) son relativamen-te solubles en agua.

Quizs la propiedad fsica mas obvia de estos compuestos es su olor caracte-rstico semejante al pescado. Algunas de las diaminas son particularmente repugnantes:


III. Estereoqumica del Nitrgeno

El examen de modelos demuestra que una molcula con tres grupos distintosunidos a N no puede superponerse a su imagen especular; es entonces quiral ydebe existir como dos enantimeros (I y II) cada uno de los cuales , por separado , debera presentar actividad optica.


I II

Para las aminas dichos enantimeros no han podido aislarse. Los estudios espec-troscpicos han demostrado que la barrera energtica es demasiado baja entrelos dos arreglos piramidales alrededor del N, por lo cual interconvierten rpida-mente.

Problema 26.3 El espectro RMN de la aziridina (III) presenta a t. a. un tri-plete-cuarteto del grupo -CH2CH3 y dos seales mas de igual rea por pico. Cuando la temperatura aumenta a 120 oC, las ultimas seales se colapsan a una sola.

N

CH2CH3H

..

N

CH2CH3

H

Baja temperatura:cuatro seales

H

H H

NH

H H

..

T = 120 oC: Solo tres seales, ocurreInversin rpida en torno al N.

III


IV. Fuente Industrial para las Aminas.

La amina mas importante de todas, la anilina, se prepara de varias maneras:a) Reduccin de nitrobenceno con Fe/HCl (reactivos baratos) o por hidrogena-

cion cataltica:

b) Por tratamiento del clorobenceno con amoniaco a temperaturas y presiones bien altas, en presencia de un catalizador.


La metilamina, dimetilamina y trimetilamina se sintetizan industrialmente conMeOH y NH3

Los halogenuros de alquilo se emplean para hacer algunas alquilaminas superiores,lo mismo que en el laboratorio, es la denominada reaccin de amonlisis que seestudiar mas adelante.estudiar mas adelante.

Los cidos carboxlicos obtenidos de las grasas pueden transformarse en 1-amino-alcanos (aminas) de cadena larga con numero par de carbonos por medio de la reduccin de nitrilos.


V. Mtodos de Preparacin en el Laboratorio.

1. Reduccin de Compuestos Nitro

Ejemplos:


La reduccin de compuestos nitro aromticos es el mtodo mas til para obteneraminas aromaticas. Estas pueden convertirse luego en sales diazonio compues-tos orgnicos muy verstiles. La secuencia:

Compuesto nitro Amina Sal diazonio

Proporciona la mejor de las rutas para llegar a docenas de tipos de compuestosaromticos, como se ver ms adelante.aromticos, como se ver ms adelante.

Cuando la reduccin se hace con metal y acido se habla de reduccin qumica. Engeneral se practica agregando HCl a una mezcla del compuesto nitro en la presen-cia de metal. Se usa mucho estao granulado pero tambin limaduras de hierro.


La reduccin de compuestos nitro por hidrogenacin cataltica puede realizar-se si no existen otros grupos funcionales fcilmente hidrogenables. Se agitauna solucin del compuesto nitro en alcohol con Ni o Pt finamente pulverizadoen atmosfera de H2.

2. Reaccin de Halogenuros de alquilo con amonaco o aminas: Amonlisis de Halogenuros

Por lo general esta reaccin queda circunscrita a la serie aliftica debido a la esca-sa reactividad de los halogenuros de arilo ante la sustitucin nucleoflica . Ademsla amonlisis de haluros tiene la desventaja de producir diferentes tipos de aminas,debido a que cada amina que se produce es en si misma otro nuclefilo potencialque puede reaccionar con el haluro introduciendo otro grupo alquilo al N:


Muchos compuestos orgnicos halogenados se convierten en aminas por trata-miento con soluciones acuosas o alcohlicas de NH3. El desplazamiento delhalgenos genera la sal de la amina, de la que esta ultima puede liberarse por tratamiento con OH-.

Es simplemente de una reaccin de sustitucin nucleofilica y el amonacoacta como un nuclefilo.


En general:

Pero la reaccin contina:

Por ejemplo, cuando se deja reacionar 1-Bromooctano con amonaco, se obtienenlas aminas 1ria. y 2ria. en cantidades comparables.

Es importante como mtodo general para introducir el grupo amino (-NH2) en mo-lculas como bromocidos los cuales se convierten en amino cidos:


3. Aminacin Reductiva

Es la reaccin de un aldehdo o cetona con amoniaco o amina primaria en la pre-sencia de un agente reductor como H2/cat. o NaBH3CN para generar la amina correspondiente.

Ejemplos:

N-Isobutilanilina


Cuando se usa amoniaco se formar la imina que es muy inestable y de inmediatose reduce con el agente reductor presente.

La reaccin involucra la reduccin de un compuesto intermediario: (una imina) si se emplea amoniaco o aminas 1rias.), tambin se puede formar una oxima si se usa hidroxilamina con el aldehdo o cetona, en este caso, el mtodo es exclusivo para la obtencin de aminas primarias

se reduce con el agente reductor presente.


Es posible obtener aminas 1rias., 2rias y 3rias dependiendo si se us hidroxila-mina (H2N-OH o NH3), amina 1ria. o 2ria. respectivamente.

R

O

R'

H2N-OH

H+ R

N-OH

R'

..

::reduccin

R

NH2

R'

..

Aminas primarias. Resultan de la condensacin de hidroxilamina con una cetonao un aldehdo, seguida por reduccin de la oxima. La mayor parte de las oximasson estables y son compuestos que se aslan fcilmente. Esta oxima se reducecon LiAlH4, H2/ Cat o NaBH3CN (cianoborohidruro de sodio).

R R' R R'Oxima

R R'amina 1ria.

Ejemplos:


RO

R'

R"-NH2H+ R

N-R"

R'

..

::reduccin

R

NHR"

R'

..

Imina N-sustituida Amina 2ria.

Aminas secundarias. Es la condensacin de una cetona o aldehdo con aminasprimarias para formar una imina N-sustituida (base de Schiff). La reduccin de esaimina genera la amina secundaria

H3C

O

CH3

::

Ph-NH2..

H+ H3C

N-Ph

CH3

..

LiAlH4

H3C

N-HPh

CH3

..

Ejemplo:

N-Fenil-2-propanamina


RO

R'R"-NH

+

N-R"::

reduccinN-R"

R"' R"':

R"'Ecuacin general y ejemplo:

Aminas terciarias. La condensacin de una cetona o aldehdo con una amina2ria. da una sal de iminio. Estas son frecuentemente inestables as que no se aslan. Un agente reductor en solucin reduce la sal iminio a una amina 3ria. El NaBH3CN trabaja muy bien aqu como agente reductor porque no reduce el grupo carbonilo.

R R'H+ R R' R R'

amina 3ria.Sal de iminio

N,N-dimethylcyclohexanamine


. Ejercicio No.1 Describa como preparara las aminas siguientes de los mate-riales de partida indicados: a) N-ciclopentilanilina de anilina b) N-etilpirrolidinade pirrolidina y el correspondiente compuesto carbonilo

Dos buenos nuclefilos para introducir un tomo de nitrgeno son el ion cianuro (CN-) y el ion azido (N3-). El ion cianuro introduce despus de reduccin (adicin de H2) el grupo CH2NH2 generando una amina con un carbono adicional con re-ferencia al material de partida, en este caso: un haluro o tosilato de alquilo, los quea su vez sufriran una reaccin de desplazamiento (sustitucin nucleoflica

4. Reduccin de Nitrilos y Azidas

R C N

Nitrilo

2H2/Cat.

o

LiAlH4

R-CH2-NH2

Amina

R-Br (I, Cl Ts) NaC N

Haluro o tosilatode alquilo

+

a su vez sufriran una reaccin de desplazamiento (sustitucin nucleoflicaaliftica) sobre el carbono enlazado al haluro (-X) o grupo tosilo (-Ts).


Por su parte, el ion azido (a travs de la sal azida de sodio o potasio) introduce ungrupo amino en el material de partida (haluro o tosilato) despus de reduccin.

N N N NIon azido: N3 :N N N:.. ..

Tanto los nitrilos como las azidas se reducen fcilmente a aminas primarias sea con hidruro de aluminio y litio (LiAlH4) como con hidrogenacin cataltica. Las azidas de alquilo pueden ser explosivas, as que ellas se reducen sin purificacin.


Ejemplos:


Se ha visto que el ion CN- se adiciona a cetonas y aldehdos para formar cianohidri-nas. Entonces, la reduccin de la cianohidrina proporciona una forma de obtener -hidroxiaminas.


5. Sntesis de Gabriel (para Aminas primarias)Es un mtodo antiguo exclusivo para la obtencin de aminas primarias con el mismo numero de tomos de carbono del precursor (generalmente un haluro de al-quilo primario). El reactivo mediador en la sntesis, es el compuesto ftalimida de po-tasio que por accin de una base (como OH-) genera el anin ftalimido que ataca nucleofilicamente al haluro de alquilo. El compuesto intermediario alquil ftalimidose trata luego, con hidracina que hace las veces de agente reductor produciendo laalquil amina primaria y el subproducto ftalidracida.

O O O


N H

O

Ftalimida

pKa = 8.3

+ KOH: N

O

: :K+

Ftalimida de potasioH2N-NH2

EtOH

(Hidracina)

NH

NH

O

O

Ftalidracida

.. ..

R-CH2X N

O

: CH2R

R-CH2NH2 +

amina primaria

6. Degradacin o Reordenamiento de Amidas segun Hofmann

Ejemplo:

6. Degradacin o Reordenamiento de Amidas segun Hofmann

Consiste en el tratamiento de una amida primaria con cloro o bromo en solucin fuertemente bsica para producir una amina primaria con un tomo de carbono menos que el material de partida. Este mtodo est discutido en el Libro de Morri-son y Boyd en la Sec. 26.12.

amida


Ejemplos:

Mecanismo: El mecanismo del reordenamiento de Hofmann es muy interesante porque involucra algunos intermediarios que no se han tratado antes. La primeraetapa es el reemplazo de uno de los tomos de hidrgeno sobre el nitrgeno porun halgeno. Esta etapa es posible debido a que los hidrgenos de la amida sonligeramente acdicos:


Amina

a) Formacin de la N-bromoamida: desprotonacin inicial de la amida, haloge-nacin y nuevamente desprotonacin.

b) La migracin del grupo alquilo (o arilo) al nitrgeno eliminando el haluro paradar un isocianato que es la etapa propia de la transposicin.

c) La hidrlisis bsica del isocianato formando un cido carbmico, y d) Finalmente la descarboxilacin para formar la amina.

Las etapas fundamentales son:


En la etapa b) de la transposicin tambin se ha planteado que puede formarse previamente un intermediario divalente de nitrgeno (denominado nitreno) que finalmente reordena al isocianato:

En la etapa de transposicin el grupo alquilo migrante lo hace con retencin de

Ejercicio No. 2. Describa el mecanismo para el reordenamiento de Hoffmann dela Hexanamida.

Ejercicio No. 3. Cuando la (R)-2-metilbutanamida reacciona con bromo en una solucin acuosa fuerte de NaOH, el producto es una amina pticamente activa. Escriba la estruc-tura de esa amina esperada indicando la estereoqumica.


En la etapa de transposicin el grupo alquilo migrante lo hace con retencin de configuracin, es decir que si tuviramos un centro quiral en el carbono adya-cente al carbonilo de la amida, el grupo migrara sin afectar su configuracin (estudiar al respecto, la discusin en Morrison & Boyd de la Sec. 32.3 y 32. 4, opcional).

VI. Reacciones de la Aminas

1. Basicidad de las Aminas (complemento a las Secs. 27.2 a 27.4 de Morrison &Boyd).

Una amina es un nuclefilo (o base de Lewis) debido a que su par de electrones no-enlazante puede formar enlace con un electrfilo. Una amina puede tambin actuar como base Brnsted-Lowry aceptando un protn de un acido.

Amina como nuclefilo

Nuclefilo Electrfilo

Amina como base


1.1 Equilibrio de Basicidad

Como las aminas son bases, sus soluciones acuosas son bsicas.

Los valores de K para la mayor parte de de las aminas son ligeramente pequeos Los valores de Kb para la mayor parte de de las aminas son ligeramente pequeos (~ 10-3 o menores) y el equilibrio para estas reacciones acido-base reposa haciala izquierda. No obstante las soluciones acuosas de las aminas son bsicas y ellastornan el papel litmus al color azul.

Justamente como se usan los valores pKa para indicar las fuerzas acidas (los ci-dos mas fuertes exhiben los valores ms pequeos pKa), tambin se usan los va-lores pKb para comparar las fuerzas bsicas relativas de las aminas. Aqu, los va-lores ms pequeos de pKb corresponden a las aminas ms fuertes como bases (Ver Tabla 3).


Tabla 3. Valores de pKb para algunas aminas representativas y valores de pKa de sus cidos conjugados (iones alquilamonio)


Tabla 3. Valores de pKb . (Continuacin)


Adems de reportar los valores Kb o pKb para las aminas, tambin suelen reportar-se los valores Ka o pKa para el acido conjugado (iones alquilamonio). Puede demos-mostrarse que el producto Ka del ion amonio y Kb de la amina, es Kw (producto inico del agua) = 10-14 a temperatura ambiente, y que se cumple para cualquier par conjugado acido-base.

Estas relaciones nos permiten recordar que una amina fuertemente bsica tendr un ion amonio conjugado dbil (acido dbil) y una amina dbilmente bsica tendr un ion amonio fuertemente acdico (acido mas fuerte).


Por ejemplo la metil amina (CH3NH2) con un pKb = 3.36 es una base mucho ms fuerte que la anilina (PhNH2) con un pKb = 9.40. En contraste, el ion metilamonio es un acido ms dbil pKa = 9.26 que el ion anilinio con un pKa = 4.60. Examinar la Tabla 3.

1. 2 Efectos sobre la Basicidad de las Aminas

La Figura 1 muestra un diagrama de energa para la reaccin de una amina con agua. A la izquierda estn los reactivos: la amina libre y agua. Sobre la derecha estn los productos: el ion amonio y el ion hidroxilo.

Figura 1. Diagrama de Energa Potencial de la reaccin de una amina con el agua.Luz Marina Jaramillo Gmez

Ejercicio No. 4 Ordene cada uno de los conjuntos de compuestos en orden ascen-dente de Basicidad. A) NaOH, NH3, CH3NH2, Ph.NH2. b) Anilina, p-Metilanilina, p-Nitroanilina. c) Anilina, Pirrol, Piridina. d) Pirrol, Imidazol, 3-Nitropirrol.

Cualquier rasgo estructural que estabilice el ion amonio (con relacin a la amina libre) desplaza la reaccin hacia la derecha, incrementando la basicidad de laamina. Cualquier rasgo que estabilice la amina libre (con referencia al ion amo-nio) desplaza la reaccin hacia la izquierda, convirtiendo la amina en una base ms dbil.

1.3 Sustitucin por Grupos Alquilo Considere las basicidades relativas de amoniaco y metilamina. Los grupos alquilo son electrodonantes hacia los cationes : el grupo CH3 en metilamina estabiliza la carga positiva sobre el N, bajando la Ep del catin metilamonio, haciendo a la metilamina una base ms fuerte que el amoniaco. Las alquilaminas son general-mente bases ms fuertes que el amoniaco.


1.3 Sustitucin por Grupos Alquilo

Se esperara que las aminas 2rias. fueran bases ms fuertes que las aminas 1rias.y que las aminas 3rias. fueran las ms fuertes de todas. Sin embargo, los efectos de solvatacin interfieren con los iones amonio cargados positivamente, los cualesestablecen enlaces de H con las molculas de agua, por lo cual se deriva cierta


energa de solvatacin que contribuye a su estabilidad.

Los grupos alquilo alrededor de los iones amonio disminuyen el numero de mol-culas de agua que se aproximan a solvatar los iones. De esta forma, las tenden-cias opuestas de estabilizacin inductiva e impedimento estrico para una solvatacin efectiva, se cancelan entre si en la mayor parte de los casos, dan-do como resultado que las aminas alifticas primarias, secundarias y terciarias muestran rangos similares de basicidad, aunque podra decirse que las aminas2rias alifticas son ligeramente las mas bsicas (ver Tabla 3).

1. 4 Efectos de Resonancia sobre la Basicidad

Las aminas aromticas (anilinas y sus derivados) por su parte, son bases ms d-biles que las aminas alifticas. Esta basicidad reducida se debe a la deslocaliza-cin por resonancia de los electrones no-enlazantes en la amina libre.


La Figura 2 muestra como la estabilizacin del reactivo (la amina libre) hace a la amina menos bsica.

Figura 2. La Anilina se estabiliza por solapamiento del par solitario con el anillo aromtico. Tal solapamiento no es posible en el ion anilinio.


La Figura 3 muestra las estructuras resonantes de la anilina donde el par de electrones de la anilina se compromete con la nube aromtica del anillo de tal forma que estos electrones no estn disponibles lo suficiente para aceptar proto-nes haciendo mucho menos bsica a la anilina.

NH

H: NH

H: NH H+

H..

NH H+

H

..

NH H+

..

H

HI II III IV V+ IV V+ H+

NH

H:H NH

H:H

VI VII


Figura 3. Estructuras resonantes para ilustrar la estabilizacin de la Anilina respectoa su acido conjugado ion anilinio.

Los efectos de resonancia tambin influencian la basicidad del pirrol, compuestoheterocclico aromtico de cinco miembros, que resulta ser una base muy dbil (pKb = 15). Aqu los electrones sobre el nitrgeno hacen parte de la nube pi aro-mtica. Cuando el pirrol es protonado, pierde su estabilidad aromtica lo que ha-ce el cido conjugado muy inestable, de all el equilibrio tan desfavorable.

.

La protonacin de una amina da la sal de la amina que est compuesta de dos ti-pos de iones: el catin de la amina protonada (un ion amonio) y el anin derivado del acido. Las sales de amina simples se nombran como sales sustituidas de amo-nio. La sales de aminas complejas usan los nombres de la amina y el acido que compones dichas sales

1.5 Sales de Aminas.


Las sales de las aminas son inicas, siendo slidos no-voltiles con puntos de fusin altos. Son mucho mas solubles en agua que sus aminas progenitoras, y son ligeramente solubles en disolventes orgnicos. La mayor parte de las aminas que contienen ms de seis tomos de carbono son relativamente insolubles en agua. En acido acuoso diluido, estas aminas forman sus sales de amonio corres-pondientes, y ellas se disuelven.


La formacin de una sal soluble es uno de los ensayos de grupo funcional ca-ractersticos para las aminas. Esta formacin de sales tambin se usa para se-parar las aminas de compuestos menos bsicos. En acido diluido, la amina for-ma una sal y se disuelve. Cuando la solucin se hace alcalina (por la adicin de NaOH), la amina libre se regenera. La amina libre purificada se separa de la so-lucin acuosa o se extrae en un disolvente orgnico (Fig. 4).

Figura 4. Purificacin de una amina


2. Sales de Amina como Catalizadores de Transferencia de Fase

A pesar de ser compuestos inicos, muchas sales de amonio cuaternarias se di-suelven en disolventes orgnicos. Los cuatro grupos alquilo unidos al N apantallan la carga positiva e imponen su carcter lipoflico al ion tetraalquilamonio. Por ejem-plo: las dos sales siguientes son solubles en benceno, decano y lquidos halo-genados:

NH3C

(CH2)7CH3

(CH2)7CH3H3C(H2C)7

Cl-

H3C(H2C)7

Cloruro de metil tri(n-octil)amonio

Esta propiedad de las sales cuaternarias de amonio se utiliza ventajosamente en una tcnica experimental conocida como catlisis por transferencia de fase

Imagine que ud. desea llevar a cabo la siguiente reaccin:


Esta reaccin es muy lenta sin disolvente o en medio acuoso debido a que la salno seria soluble en el bromuro de n-butilo. A su vez el bromuro de n-butilo nosera soluble en agua aunque la sal si lo sera. Pero al adicionar una pequeacantidad de cloruro de benciltrimetilamonio a la mezcla de reaccin, se forma rpidamente el pentanonitrilo. En la Fig. 5 se ilustra el proceso que ocurre:

Figura 5. Catlisis por transferencia de fase


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