UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADMICA DIRECCIN DE EDUCACIN DESESCOLARIZADA

CURSO DE

QUMICA ORGNICA GENERAL

AUTORA: LUZ MARINA JARAMILLO PhD Profesora Titular Facultad de Ciencias - Departamento de Qumica

Santiago de Cali, 2001

COMPUESTOS ORGNICOS DEL NITRGENO: AMINAS, NITROSOAMINAS, COMPUESTOS AZO Y HETEROCICLICOS AROMTICOS

INTRODUCCIN OBJETIVOS ESPECFICOS 8.1 8.2 8.3 8.3.1 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 EL GRUPO AMINO Y CLASIFICACIN DE LAS AMINAS PROPIEDADES FSICAS DE LAS AMINAS BASICIDAD DE LAS AMINAS Sales de las Aminas REACCIONES DE LAS AMINAS Aminas cono Nuclefilos. Alquilacin Eliminacin de Hoffmann Reacciones de Aminas con Acido Nitroso: Nitrosoaminas 8.4.3.1 8.4.3.2 8.4.3.3 8.4.3.4 8.4.4 8.5 8.6 Aminas Primarias Alifticas Aminas Primarias Aromticas Aminas Secundarias: Formacin de Nitrosoaminas Aminas Terciarias Sustitucin Electroflica Aromtica ANLISIS CUALITATIVO DE AMINAS TOXICISIDAD DE LOS N-NITROSOCOMPUESTOS O NITROSOAMINAS Sales Diazonio y

8.7 8.7.1 8.7.2 8.8 8.8.1 8.8.1.1 8.8.1.2 8.8.2 8.8.2.1 8.8.2.2 8.8.3 8.8.3.1 8.8.3.2

AMINAS NATURALES Y FISIOLGICAMENTE ACTIVAS Aminoalcoholes Alcaloides HETEROCICLICOS AROMTICOS NITROGENADOS Anillos de Seis Miembros Piridina y Derivados Naturales Pirimidina y Derivados Naturales Anillos de Cinco Miembros Pirrol y Derivados Naturales Imidazol y Derivados Naturales Heterocclicos Fusionados Indol y Derivados Naturales Purina y Derivados Naturales

INTRODUCCIN

Una variedad amplia de compuestos orgnicos contienen nitrgeno, pero para los propsitos de esta unidad, tomaremos los compuestos orgnicos del nitrgeno principalmente como sustancias que contienen enlaces carbono-nitrgeno (C-N). El carbono, el hidrgeno y el oxgeno son los tres elementos mas comunes en los sistemas vivientes. El cuarto de la lista, el nitrgeno, se encuentra en los aminocidos los bloques de constitucin de las protenas en las molculas de la vida o cidos nucleicos, como tambin en otras muchas sustancias naturales de origen tanto animal como vegetal. Se considerar primero la qumica de los derivados de amonaco o aminas que contienen el enlace C-N en su estado de oxidacin mas bajo. Luego se considerarn las sustancias que tienen nitrgeno en un nivel de oxidacin mas alto.

OBJETIVOS ESPECFICOS

1

Dado un conjunto de aminas, ordenarlas por su fuerza bsica creciente o decreciente a travs de un anlisis estructural.

2

Dada la estructura de una amina determinada y condiciones de reaccin especificas escribir la estructura del producto o productos que se forma (n).

3

Describir pruebas qumicas sencillas a nivel de tubo de ensayo para distinguir una amina de otros compuestos orgnicos y clasificarla como amina 1a, 2 a y 3 a.

4 5

Describa la naturaleza qumica de las sales dazonio, y compuestos azo. Explicar el origen natural de las N-Nitrosoaminas y el grado de exposicin y toxicidad en el hombre.

6

Escribir estructuras y describir la naturaleza qumica de los principales compuestos heterocclicos del nitrgeno de cinco y seis miembros.

7

Describir la estructura, naturaleza qumica y ocurrencia natural del sistema fusionado indol.

8

Describir la estructura, naturaleza qumica y ocurrencia natural del sistema fusionado purina.

DESARROLLO DEL CONTENIDO

8.1 EL GRUPO AMINO Y CLASIFICACIN DE LAS AMINAS

Las aminas tienen la misma relacin con el amonaco que los alcoholes, fenoles y teres con el agua. Son derivados alqulicos y arlicos del amonaco. Se clasifican en aminas primarias, secundarias y terciarias, de acuerdo con el nmero de sustituyentes alquilos o arilos unidos al nitrgeno.

Ejemplos

6

El tomo de nitrgeno se puede unir tambin a un cuarto grupo o tomo, en cuyo caso hace parte de un in positivo. Estos compuestos inicos se dividen en dos categoras: si uno o ms de los tomos unidos al N son hidrgenos, se trata de una sal de amina; si los cuatro tomos forman parte de grupos alquilo o arilo y no hay hidrgenos unidos al N, se trata de una sal de amonio cuaternaria.

Estas sales son derivadas del in amonio, NH . Se tiene ya amplio conocimiento del arreglo espacial de tomos y grupos unidos a tomos de carbono; es decir la estereoqumica del carbono. Estudiemos ahora, (brevemente) la estereoqumica del nitrgeno. Como ya se mencion las aminas son simplemente amonaco con uno o mas hidrgenos remplazados por grupos orgnicos. El nitrgeno utiliza orbitales sp3, que se dirigen hacia los vrtices de un tetrahedro. Tres de estos traslapan orbitales s de hidrgeno o sp3 carbono formando enlaces . El orbital sp3 sobre de

7

nitrgeno restante contiene un par de electrones no-compartido. En consecuencia las aminas son piramidales como el amoniaco y tienen casi los mismos ngulos de enlace ( 108 en trimetilamina, por ejemplo). Adems, una molcula de amina con tres grupos diferentes unidos al nitrgeno es quiral. No obstante, los enantimeros de la gran mayora de las aminas no se pueden aislar a causa de la rpida inversin de las imgenes especulares que se produce a la temperatura ambiente (Fig. 8.1).

Que tambin puede representarse como:

Figura 8.1 nterconversin rpida entre los cuantimeros de una amina quiral

Esta inversin de configuracin (conocida tambin como inversin de Walden), transcurre a travs de un ET plano (nitrgeno sp2). El resultado es que el tomo de nitrgeno piramidal se invierte sobre s mismo, como un paraguas en medio de un fuerte viento. Las sales cuaternarias de amonio con cuatro grupos diferentes, s pueden existir como enantimeros separables, ya que son estructuralmente

semejantes a compuestos con un carbono

8

asimtrico. Un par de enantimeros:

Ejercicio 8.1 D un nombre aceptable a cada uno de los siguientes compuestos: a) H2N(CH2)4NH2 (Sustancia de olor muy desagradable encontrada en la carne

descompuesta)

b)

c) (CH3) 2CHCH2NH2

d)

e)

f)

Ejercicio 8.2

Cules de las estructuras siguientes podran existir como enantimeros separables?

a)

b)

CH3NHCH2CH2Cl

9

8.2 PROPIEDADES FSICAS DE LAS AMINAS

Las aminas pueden formar enlaces de hidrgeno intermoleculares (como el amonaco). El enlace N---H-N- es mas dbil que el O---H-O, ya que el N es

menos electronegativo que el O y, por consiguiente, el enlace NH es menos polar. A causa de este enlace de hidrgeno dbil, los puntos de ebullicin de las aminas se sitan en un rango intermedio entre los de los compuestos que no forman enlaces de hidrgeno (tales como alcanos o teres) y los de aquellos que forman fuertes enlaces de hidrgeno (tales como alcoholes) de peso molecular comparables. CH3CH -2O-CH2CH3 PM = 74.12 p.e. = 34.5 (CH3CH2) 2NH PM = 73.14 p.e. = 56 CH3(CH2) 2CH2OH PM = 74.12 p.e. = 117

Las aminas primarias que poseen de tres a once tomos de carbono son liquidas; las homlogas superiores son slidas. La dimetilamina es la nica amina secundaria gaseosa y la trimetilamina es la nica amina terciaria gaseosa. Las aminas terciarias al no poseer enlaces NH no pueden formar enlaces de H en el estado lquido y, como consecuencia, sus puntos de ebullicin son inferiores a los de las aminas primarias

10

o secundarias de peso molecular equivalente, situndose mas bien prximos a los de los alcanos de peso molecular similar. No hay enlace de H enlace de H

p.e. 3 PM: 59.11

p.e. -10 58.12

p.e. 48 59.11

Las aminas de bajo peso molecular son solubles en agua, debido a que pueden formar enlaces de hidrgeno con sta. Las aminas terciarias al igual que las primarias y secundarias, pueden formar enlaces de hidrgeno con el agua, pues poseen pares de electrones no-compartidos.

La Tabla 8.1 resume las propiedades fsicas de algunas aminas comunes. Las aminas de bajo peso molecular como metilamina y etilamina tienen olores semejantes al amonaco. Aquellos con pesos moleculares un poco mas altos tienen olores bastante desagradables semejantes al pescado. Dos diaminas, la putrescina y la cadaverina de olores fuertemente desagradables se forman precisamente de la descomposicin de carne o pescado.

11

Las aminas aromticas tienen olores moderadamente agradables, picantes pero ellas son al mismo tiempo txicas, pueden ser absorbidas directamente a travs de la piel con algunos resultados fatales.

Tabla 8.1 Propiedades Fsicas de Algunas Aminas Comunes

12

Tabla 8.1 Propiedades Fsicas de Algunas Aminas Comunes (Continuacin)

8.3 BASICIDAD DE LAS AMINAS

Las aminas como el amonaco son bases relativamente dbiles, mas

13

fuertes que el agua pero mucho ms dbiles que los iones hidrxido (- OH), iones alcxido (RO -), etc. El par de electrones que ocupa el orbital completo noenlazado del amonaco o una amina se puede donar a un tomo, in o molcula deficiente en electrones. En solucin acuosa, una amina se comporta como una base dbil y acepta un protn del agua en una reaccin reversible cido-base.

Los valores decrecientes de Pkb, corresponden a fuerzas bsicas decrecientes. En la Tabla 8.1 se dan los valores kb para las aminas alistadas. Las mismas caractersticas estructurales que afectan a las fuerzas cidas relativas de cidos carboxlicos y fenoles influyen tambin en las fuerzas bsicas relativas de las aminas. Cuando se examinan las constantes de basicidad de las aminas que se encuentran en la Tabla 8.1 se observa que la mayora de las aminas primarias y secundarias alifticas son bases ligeramente mas fuertes que el amonacos

14

Esto

puede de

explicarse con base a un grupo alquilo.

la capacidad de Un grupo

liberacin alquilo

de libera

electrones

electrones y estabiliza al in alquilamonio (o cido conjugado) que se forma por la reaccin cido-base entre el agua y la amina.

En consecuencia la basicidad aumenta en la serie: :NH3 < R-NH2 < R2NH, R3N Incremento de BasicidadPor otro lado, cuando se examinan las constantes de basicidad de las aminas aromticas (anilina, p-toluidina, etc.) en la Tabla 8.1, se observa que son bases mucho ms dbiles que el amonaco. La anilina tiene un pkb de 9.42 mientras que el del amonaco es de 4.74 y el de una amina primaria como la ciclohexilamina es de 3.3. La causa de la baja basicidad de la anilina es

que la carga positiva del catin anilinio

no puede deslocalizarse en la nube

aromtica, pero s puede hacerlo el par de electrones no-compartidos de la anilina . Por tanto, esta ltima se estabiliza con respecto al cido conjugado (catin).

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Adems las anilinas sustituidas varan su basicidad de acuerdo a la naturaleza de los grupos sustituyentes. Un grupo donador de electrones ayudara a estabilizar la carga positiva del in anilinio hacindola mas bsica que la anilina, mientras que uno sacador de electrones desestabiliza el in anilinio y disminuye la basicidad con respecto a la anilina no-sustituida. Es el caso de:

Finalmente las aminas heterocclicas aromticas como la

piridina son

tambin

bases ms dbiles que las aminas alifticas debido a que el tomo de nitrgeno tiene hibridacin sp2 y al poseer mayor carcter s que un orbital sp3 , retiene con mas fuerza el par de electrones no compartidos hacindola menos bsica. 16

8.3.1 Sales de Aminas. Propiedades Cuando las aminas primarias, secundarias y terciarias reaccionan con cidos se forman sales de amina:

Estas son sales en el sentido verdadero; o sea, que son compuestos inicos tpicos. Todos son slidos y tienen puntos de fusin relativamente altos, especialmente si se comparan con los puntos de fusin de las aminas correspondientes. Como las sales de amonio, las sales de amina (cloruros, bromuros, yoduros y sulfatos de alquilamonio) son solubles en agua. As pues, una amina primaria, secundaria o terciaria insoluble en agua se disolver en HCl, HBr, Hl o H2S04 acuoso. La solubilidad en agua proporciona un mtodo qumico conveniente

17

para distinguir las aminas de otros compuestos no-bsicos que son insolubles en agua. La solubilidad en cido acuoso tambin constituye un mtodo til para

separar las aminas de compuestos no-bsicos que son insolubles en agua. A su vez la amina libre se puede regenerar a partir de una de sus sales por tratamiento con base fuerte, generalmente NaOH.+ _ _

RNH3Cl + OH sal de amina

----------------- > R-NH2 + H20 amina libre

Pero las sales de amonio cuaternarias, que carecen de protones cidos, no sufren esta reaccin, ni la reaccin cido-base con un cido mineral acuoso porque no tienen un par de electrones no compartidos R4N+Cl + OH ------------------- > R4N+Cl + H-X(ac)-

N.R N.R.

----------------- >

Sin embargo, los hidrxidos de amonio cuaternarios son bases fuertes. En forma slida, o en solucin, estn compuestos en su totalidad por cationes cuaternarios de amonio (R4N ) e iones hidrxdo, OH ; son por lo tanto, bases fuertes (tan fuertes como el hidrxido de sodio o de potasio). Los hidrxidos de amonio cuaternarios reaccionan con cidos para formar sales de amonio cuaternarias: 18+ -

(CH3)4 NOH

+

-

+ H-Cl

--------------- >

(CH3)4NCl

-

+ H 2O

Debido a la carga positiva en un in amonio cuaternario, las sales cuaternarias de amonio presentan interesantes aplicaciones. Como un ejemplo, las sales de amonio cuaternarias con cadenas hidrocarbonadas largas se usan como detergentes.

Ejercicio 8.3

Clasifique cada uno de los siguientes compuestos como amina 1ria, 2 ria 3 ria, sal de amina 1ria, 2 ria 3 ria o sal de amonio cuaternaria.

Ejercicio 8.4

Muestre

todos

los

tipos de enlaces de hidrgeno b) dimetilamina acuosa.

que pueden existir en

a)

dimetilamina pura y

Ejercicio 8.5

a)

Explique por qu la piperidina es una base ms fuerte que

la morfolina:

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Piperidina pkb: b) 2.88 Sin referirse a las tablas, ordnense

Morfolina 5.67 los compuestos de cada conjunto

segn sus basicidades: i) etilamina, 2-aminoetanol, 3-amino-1-propanol

ii) anilina, p-metoxianilina, p-cloroanilina

Ejercicio 8.6

Indique

un

procedimiento

para

separar

ciclohexilamina

de ciclohexano

utilizando HCl(dil), NaOH(ac) y ter.

8.4 REACCIONES DE LAS AMINAS

Como el amonaco, los tres tipos de aminas contienen nitrgeno con un par de electrones no-compartido de modo que estas presentan un comportamiento qumico semejante a aquel en lo que se refiere a sus propiedades como bases que ya estudiamos (Sec. 8.3) y su accin nucleoflica (Secs. 8.4.1 y 8.4.2). Adems las diferentes clases de aminas presentan una reactividad interesante con el cido nitroso (HONO) (Sec. 8.4.3) y las aminas aromticas sufren sustitucin, electroflica aromtica. Por ltimo, las sales cuaternarias de amonio sufren eliminacin para formar un alqueno y una amina terciaria.

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8.4.1 Aminas como Nuclefilos. Alquilacin

Muchos

compuestos orgnicos halogenados se convierten en

aminas primarias

por

tratamiento con soluciones acuosas o alcohlicas de amonaco. La molcula de amonaco tiene un par de electrones no-compartido y acta como un nuclefilo frente a un halogenuro de alquilo

El producto de la reaccin es una sal de amina, que d la amina libre por tratamiento con una base como NaOH:

Las aminas 1rias, 2 rias y 3 rias por su parte, tambin pueden reaccionar con los halogenuros de alquilo para dar aminas secundarias, terciarias y sales cuaternarias de amonio, respectivamente, reaccin que se conoce como alquiIacin de aminas. De hecho cuando se forma la sal de la amina primaria a partir de un halogenuro y el amonaco, dicha sal puede intercambiar un protn con el amonaco liberando la amina primaria, la que a su vez podra reaccionar con otra molcula de halogenuro de alquilo para dar una amina secundaria y as sucesivamente.

21

En general, sera posible alquilar exhaustivamente una amina primaria hasta la sal cuaternaria de amonio,

Dado que se pueden formar todos estos productos, la reaccin SN2 de amonaco o de una amina con un halogenuro de alquilo no se considera de gran inters sinttico. Si se usa amonaco o bien una amina muy barata, puede usarse un gran exceso a fin de favorecer la monoalquilacin. Ejemplos

Si lo que se desea es la sal de amonio cuaternaria, el proceso SN2 puede ser tambin interesante, slo que en este caso habr de usarse un exceso del halogenuro de alquilo. 22

Otro aspecto que debe tenerse en cuenta en estas reacciones de sustitucin es el orden de reactividad SN2 lpico para los halogenuros de alquilo, esto es: CH3X > 1 > 2 Los halogenuros de alquilo terciarios no dan reacciones de sustitucin a partir del amonaco o las aminas, sino nicamente productos de eliminacin. Sntesis de Gabriel de la ftalimida: La sntesis de Gabriel de la ftalimida es un proceso que permite obtener aminas primarias nocontaminadas con secundarias y terciarias. El primer paso en la reaccin es una sustitucin SN2 en la que se usa el anin de la ftalimida como nuclefilo. La amida se obtiene posteriormente por hidrlisis de la ftalimida sustituida resultante:

La ftalimida se prepara calentando anhdrido ftlico con amonaco. La sal de potasio se obtiene tratando ftalimida con KOH. Normalmente, no es tan fcil eliminar un protn de un nitrgeno amdico, pero en este caso la imida al igual que a otros compuestos dicarbonlicos, posee una acidez mas elevada debido a que el anin se estabiliza por resonancia. La ftalimida tiene un pKa de 9, y es por lo tanto, 10 veces mas cida que el fenol

23

Finalmente el anin de la ftalimida de potasio ataca nucleoflicamente el halogenuro de alquilo para generar la N-alquiIftalimida. Esta ltima puede hidrolizarse en medio bsico liberando la amina primaria, como se mostr arriba.

Ejercicio 8.7

Indique la secuencia de reactivos que debe aadirse a la ftalimida de potasio para obtener a) n-propilamina b) alilamina c) bencilamna. Las aminas tambin reaccionan como nuclefilos en reacciones de sustitucin nucleoflica en carbono acilo, con cloruros de cido y amidas. anhdridos para formar

8.4.2 Eliminacin de Hoffmann

Cuando se caliente un hidrxido de amonio cuaternario (slido), se produce una reaccin denominada eliminacin de Hofmann. Esta reaccin es una eliminacin

del tipo E2 en la cual el grupo saliente es una amina.

Esta Eliminacin generalmente da origen al llamado producto Hoffmann, que es el alqueno con el doble enlace menos sustituido, en contraste al alqueno mas sustituido (producto Saytseff) que se 24

produce con otros grupos salientes . Ejemplo:

Ejercicio 8.8

Prediga los productos orgnicos principales cuando se calientan los compuestos siguientes:

8.4.3 Reacciones de Aminas con Acido Nitroso. Formacin de Sales Diazonio y Nitrosaminas

Cada tipo de amina genera un producto diferente al reaccionar con el cido nitroso, HONO. Este reactivo inestable se genera en presencia de la amina por accin de un cido mineral sobre nitrito de sodio (HCl + NaNO2).

8.4.3.1 Aminas Primarias Alifticas

Las aminas primarias alifticas reaccionan con cido nitroso mediante una reaccin llamada diazotizacin formando sales de

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diazonio alifticas, muy inestables. A temperatura ambiente, las sales diazonio alifticas se descomponen en forma espontnea (explosiva) perdiendo nitrgeno y formando carbocationes. Estos ltimos se transforman produciendo mezclas de alquenos, alcoholes y halogenuros de alquilo. Reaccin General:

8.4.3.2 Aminas Primarias Aromticas

Las aminas aromticas primarias reaccionan con el cido nitroso (generado "in situ") formando sales de aril diazonio. Aunque estas sales son tambin inestables, son mas estables que las sales de diazonio alifticas y no se descomponen tan rpidamente si la temperatura de la mezcla de reaccin se mantiene a menos de 5C. Reaccin General:

26

Las reacciones de diazotizacin de las aminas aromticas primaras son de mucha importancia en sntesis orgnicas porque las sales diazonio dan un gran nmero de reacciones que pueden agruparse en dos clases: a) Reacciones de remplazo en los que se pierde el nitrgeno como N2, quedando en su lugar otro tomo o grupo funcional. b) Reacciones de copulacin en las que el nitrgeno queda retenido. En las reacciones de reemplazo es posible introducir al anillo aromtico los siguientes sustituyentes: F, Cl, Br, I, CN, OH e H en el lugar que ocupaba el grupo diazonio. De otra forma, una amina 1ria aromtica se convertira en su sal diazonio y esta podra transformarse de inmediato a diversos compuestos aromticos.

Como ya, se mencion la mayora de las sales de aril diazonio son inestables a temperaturas superiores a 5-10 C, adems muchas explotan al secarse.

Afortunadamente, las reacciones de sustitucin del grupo diazonio no requieren que se asle la sal 27

de diazonio. Simplemente basta agregar otro reactivo (CuCl, CuBr, KI, etc.) a la mezcla reaccionante, se calienta suavemente la solucin y se efecta la reaccin de sustitucin (acompaada por desprendimiento de nitrgeno). Sustitucin del grupo diazonio con Cl, -Br o -CN. Reaccin de Sandmeyer Las sales de aril diazonio reaccionan con cloruro, bromuro o, cianuro cuprosos (CuCl, CuBr o CuCN) para formar productos en los cuales el grupo diazonio ha sido sustituido por -Cl, Br y CN respectivamente. Estas reacciones se conocen en forma general como reacciones de Sandmeyer. Son ejemplos:

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Sustitucin con -I Las sales de aril diazonio reaccionan con yoduro de potasio formando productos en los cuales el grupo diazonio se ha sustituido con un tomo de yodo. Esta reaccin es de gran importancia sinttica ya que el tomo de yodo no puede introducirse el anillo aromtico por yodacin directa.

Solo en la sustitucin del grupo diazonio con -F es necesario aislar una sal de diazonio. Esto se hace adicionando cido fluorobrico (HBF4) a la mezcla reaccionante; as se logra que precipite el fluoroborato de diazonio, ArN2+BF4- que se descompone por

calentamiento en fluoruro de arilo, trifluoruro de boro (BF3) y nitrgeno. Reaccin General:

Ejemplo:

29

Es el nico mtodo para introducir flor al anillo aromtico. Sustitucin con -OH y H El grupo diazonio puede sustituirse con un grupo hidroxilo simplemente acidificando y calentando mucho la mezcla reaccionante:

Por otro lado, las sales de aril diazonio reaccionan con cido hipofosforoso (H3PO2) o con etanol formando productos en los cuales el grupo diazonio se sustituye con un -H.

Tal reaccin es til cuando es necesario remover el grupo amino de un anillo aromtico al final de una sntesis donde el mismo grupo ha servido de orientados en la introduccin de otros grupos. La reaccin de copulacin de las sales diazonio es una sustitucin

electrofilica aromtica donde la sal diazonio que es un agente electroflico dbil reacciona con un anillo aromtico fuertemente activado. El producto de la

reaccin es lo que se conoce como un compuesto azos Ar-N=N-Ar'

30

El sustituyente G del anillo aromtico que sufre el ataque del in diazonio electroflico es un activador fuerte como -OH o un grupo amino (-NH2, -NHR, -NR2) . Las aminas aromticas reaccionan con las sales diazonio en soluciones ligeramente cidas y los fenoles lo hacen en un medio levemente alcalino Ejemplos:

Generalmente se prefiere la sustitucin en posicin para cuando la misma no est bloqueada. Los azocompuestos son sustancias intensamente coloreadas porque el enlace azo -N=Nproduce la conjugacin de los dos anillos aromticos, formando un sistema extenso de electrones deslocalizados lo que permite la absorcin de la luz en las regiones visibles. Debido a sus colores tan intensos (intensamente amarillos, naranjas, rojos, azules y an verdes) y a que pueden obtenerse de compuestos relativamente baratos los compuestos azo se utilizan en gran cantidad como colorantes31

en

textiles y en la fabricacin de pinturas. Los colorantes azoicos constituyen la clase mas numerosa e importante de los tintes, conocindose en la actualidad miles de ellos.

Un colorante se define como todo compuesto que absorbe luz en la regin visible (o sea, es coloreado) y que posee la capacidad de adherirse por si mismo y con firmeza a un tejido.

Deben estar presentes sustituyentes polares, como -SO3Na, -OH, -COOH y NH2, para que la molcula de colorante se adhiera a la superficie de las fibras

polares (como el algodn o la lana), las cuales son de naturaleza glucdica* o proteica. Otros, son utilizados como indicadores cido base en las valoraciones o

titulaciones de un cido o una base.

8.4.3.3 Aminas Secundarias

Las aminas secundarias aromticas y alifticas reaccionan con cido nitroso formando N-nitrosoaminas, las cuales se separan de la mezcla reaccionante como lquidos aceitosos de color amarillo. ________________ * de glcido (o carbohidrato) 32

Reaccin General:

El cido nitroso (HONO) se obtiene al tratar nitrito de sodio (NaNO2) en cido clorhdrico acuoso.

Ejemplos

Las nitrosoaminas son compuestos que presentan graves riesgos para la salud del hombre y se forman fcilmente en el cuerpo y en el ambiente. Este tema ser tratado en la Sec. 8.5.

8.4.3.4 Aminas Terciarias Las aminas terciarias alifticas reaccionan con cido nitroso

33

formando un compuesto N-nitrosoamonio (estable a temperaturas bajas) en equilibrio con la amina de partida: Reaccin General

Por su parte, las aminas terciarias aromticas reaccionan con el cido nitroso formando compuestos C-nitroso aromticos. La nitrosacin se efecta casi exclusivamente en la posicin para si est libre: en caso contrario, en la posicin orto. Aqu el agente

electroflico es el ion nitrosonio, +NO. Reaccin General:

Ejemplo

8.4.4

Sustitucin Electroflica Aromtica

Se sabe que los grupos -NH2, -NHR directores orto, para en la sustitucin

y -NR2 actan como activadores poderosos y

34

aromtica electroflica .

El intermediario que se forma con el anillo aromtico despus del ataque electroflico de Y+, se estabiliza especialmente por la presencia del grupo amino con su par de electrones no-compartido, el cual ayuda a neutralizar la carga positiva. De este modo surgen las estructuras I y II:

en las que el nitrgeno tiene una carga positiva y est unido al anillo con un doble enlace. Estas estructuras son muy estables debido a que en ellas todos los tomos (excepto el hidrgeno) tienen un octeto completo de electrones. Es posible que las estructuras I o II por s mismas representen al intermediario del ataque orto o para respectivamente. Sin embargo, la sustitucin electroflica aromtica de aminas presenta problemas, porque al ser tan reactivos la sustitucin tiende a suceder en todas las posiciones orto o para, disponibles. Por ejemplo, la bromacin ocurre sin catalizador con Br2 35

acuoso:

La nitracin presenta inconvenientes porque el cido ntrico no slo nitra, sino que tambin oxida el anillo altamente reactivo, y as se produce una prdida considerable de material en forma de alquitrn. La alquilacin de Friedel-Crafts por otro lado, no puede efectuarse porque el grupo amino con su par de electrones no-compartido se acompleja con el catalizador de Lewis (AlCl3) y no puede actuar.

Ejercicio 8.10

Qu productos esperara que se formaran cuando cada una de las siguientes aminas reacciona con nitrito de sodio acuoso y cido clorhdrico? a) Propilamina c) N-Propilanilina b) Dipropilamina d) N,N-dipropilanilina

36e) p-Propilanilina Establezca primero si la amina es 1ria, 2 ria 3 ria

Ayuda:

Ejercicio 8.11

Complete las siguientes reacciones escribiendo la estructura producto (o productos) de las siguientes reacciones:

Habra sido posible obtener el producto C, tolueno directamente? Explique. 37

a travs de bromacin del

8.5 ANLISIS CUALITATIVO DE AMINAS

Las aminas se caracterizan principalmente por su basicidad. Un compuesto insoluble en agua que se disuelve en cido clorhdrico diluido y fro, o una sustancia soluble en agua (que no sea una sal), cuya solucin acuosa azulea el tornasol, debe ser, casi con certeza, una amina (Sec. 8.3). el anlisis elemental indica la presencia de nitrgeno. La mejor manera de saber si se trata de una amina primaria, secundaria o terciaria, es utilizando el ensayo de Hinsberg: se agita la amina con cloruro de bencenosulfonilo en presencia de hidrxido de potasio acuoso. Las aminas primarias y secundarias forman sulfonamidas sustituidas, mientras que las terciarias no, siempre que el ensayo se haga correctamente.

38

Observe que la sulfonamida de la amina 1 tiene an un hidrgeno cido unido al nitrgeno. La reaccin con KOH convierte esta amida acidificacin de esta solucin regenera la amida insoluble. en una sal soluble. La

La

sulfonamida

disustituida de la amina 2 no

tiene

hidrgeno cido, por

lo que permanece insoluble en la mezcla de reaccin alcalina.

La amina 3 no reacciona con el cloruro de benceno sulfonilo y da un producto insoluble (la propia amina sin reaccionar) que se disuelve, al acidificar la mezcla. Como todo experimento, el ensayo de Hinsberg debe hacerse con cuidado y debe interpretarse inteligentemente. Entre otras cosas, puede haber reacciones

colaterales engaosas si las proporciones de los reactivos no son adecuadas, o si la temperatura es muy alta, o si el tiempo de reaccin es excesivo. El comportamiento frente al cido nitroso (Sec. 8.4.3) es de alguna importancia en la determinacin del tipo de amina. Particularmente caracterstico es el comportamiento de aminas primarias aromticas: el tratamiento con dicho reactivo las

39

convierte en sales de diazonio que dan compuestos azoicos intensamente coloreados, al ser reaccionados con -naftol.

Finalmente, entre los numerosos derivados tiles para identificar aminas se encuentran: amidas (por ej.: acetamidas, benzamidas o sulfonamidas) para aminas primarias y secundarias; sales cuaternarias de amonio (por ejemplo, las que derivan del cloruro de bencllo o del yoduro de metilo) para aminas terciarias. Ejercicio 8.12 Descrbanse mtodos qumicos sensibles para con recuperacin de la separacin componente de las

siguientes mezclas, esencialmente pura. a) b) c) d) e) e)

cada

en forma

trietilamina y n-heptano anilina y anisol Ph-NHCH3 y PhN(CH3)2

acido n-caproico , tri-n-propilamina y ciclohexano o-nitrotolueno y o-toluidina benzonitrilo y N,N-dimetilanilina

Indique exactamente lo que hara y observara

40

8.6

TOXICIDAD DE N-NITROSOCOMPUESTOS O NITROSAMINAS frmula

Los N-Nitrosocompuestos mejor conocidos corno Nitrosaminas tienen la general: R-N-N=O | R

Y se forman cuando las aminas secundarias alifticas reaccionan con cido nitroso (Sec. 8.4.3) o con xidos de nitrgeno (NO, N02, N2O4, N2O3). Dependiendo de los precursores y la presencia de catalizadores metlicos, o alcalinas. Las nitrosoaminas son compuestos del ambiente ubicuos detectados en el aire, agua, humo de cigarrillo, carnes curadas, bebidas alcohlicas, cosmticos, pesticidas, tales como ozono (03) e iones las nitrosoaminas pueden formarse bajo condiciones acdicas, neutrales

fbricas de curtidura y de neumticos y an en carros nuevos. Su formacin in vivo est recibiendo gran atencin y la magnitud de esta fuente puede ser de mas importancia para el hombre que las cantidades minsculas consumidas en alimentos y bebidas, o las absorbidas a travs de la piel de cosmticos y pesticidas. Aunque no existe con evidencia en el directa que conecte la exposicin son a

nitrosoaminas

cncer

hombre, las

nitrosoaminas

potentes

carcingenos en animales.

Alrededor de

130 compuestos N-nitroso se han una variedad amplia de

ensayado como potenciales inductores de cncer en animales. Mas de 100 han

producido tumores en una o mas especies, y en

uno o ms rganos.

41

El

tipo

de

tumores

inducidos depende, de la estructura del compuesto

ensayado, la especie a la cual se administra y la dosis.

Las nitrosoaminas voltiles son las que mas se han ensayado en aproximadamente 20 especies diferentes. La mayor parte de los estudios se han efectuado en

roedores y es aventurado extrapolar tales hallazgos para efectos en el hombre. No obstante se ha demostrado que la dimetilnitrosoamina (DMN) que es carcinognica en ratas en metabolizada en forma similar en rebanadas de hgado de rata y humanos. Esta demostracin y el hecho de que dosis altas de DMN causan dao agudo tanto a hgados humanos como en ratas sugiere que debe evitarse la exposicin a estos compuestos. La tabla 8.2 alista varias nitrosoaminas estudiadas como potenciales carcinognicas en animales.

42

El

hombre

esta

expuesto

a las

nitrosoaminas va ingestin, inhalacin,

contacto dermatolgico y a travs de formacin

43

in-vivo. antes tocino de y

Las

nitrosoaminas y estn

preformadas presentes quesos y

son en

compuestos carnes Sin

formados como la

ingestin salchichn,

nitradas

algunos

pascados.

embargo,

formacin "in vivo de nitrosoaminas en el tracto gastrointestinal (de la conversin por bacterias de nitratos o nitritos los cuales podran efectuar nitrosacion en las aminas circulantes) es probablemente mayor que la ingestin de nitrosoaminas

preformadas. Otra fuente es la nitrosacion "in vivo de drogas que contienen aminas. Adems, el hombre respira nitrosoaminas del humo de cigarrillo, del tocino frito y de los herbicidas esparcidos. Los maquinistas que usan fluidos sintticos para cortar, aplicadores con herbicidas y operarios del curtido de cuero y plantas de fabricacin de llantas estn perfectamente expuestos a las nitrosoaminas. Las actrices y modelos tambin estn expuestas va contacto dermatolgico a travs de cosmticos, lociones y cremas que contienen nitrosoaminas. Queda an el interrogante si los nitritos usados para curar la carne de cerdo (proporcionndole el color y sabor caracterstico adems de prevenir el botulismo) son carcinognicos por si mismos o actan seriamente como precursores de formacin "in vivo" de las nitrosoaminas tan sospechosas de ser inductoras de cncer. No obstante la industria demanda que no hay preservativos que remplacen los nitritos y adems habra que balancear el riesgo

44

del

cncer contra el riesgo del

botulismo *.

8.7 8.7. 1

AMINAS NATURALES Y FISIOLGICAMENTE ACTIVAS Aminoalcoholes

La colina es una sal cuaternaria de aminio del amino alcohol -hidroxietilamina

La acetilcolina que es un ster de la colina, juega un papel vital

en la transmisin

de los impulsos nerviosos en el cuerpo. Se combina con otras sustancias en la clula nerviosa y se elimina cuando la clula es estimulada. La acetilcolina motiva entonces a la clula nerviosa adyacente, la que a su vez, elimina a la acetilcolina y sirve para transmitir el impulso nervioso. Estas reacciones son sumamente rpidas. Despus que el impulso

__________________________* El botulismo es una intoxicacin alimenticia aguda, rara, pero que puede ser gravsima, causada por una toxina producida por la bacteria Clostridium botulinum que contamina al carne de Ios embutidos insuficientemente cocida y, al ser anaerobio contamina las conservas enlatadas, donde puede desarrollar gas. No se produce fiebre y a veces presenta sntomas idnticos a los de gastroenteritis. adecuada. El envenenamiento puede ser letal si no se ataca oportunamente con la antitoxina

45

nervioso

se

ha

completado,

la

acetilcolina

eliminada

se

desactiva

por hidrlisis del ster, reaccin catalizada por la coIinesterasa. Cualquier reactivo qumico que interfiera con el proceso de desactivacin o bloquee el proceso de

estimulacin de la acetilcolina puede causar parlisis o la muerte.

Algunas drogas contienen grupos cuaternarios de amonio y se parecen a la acetiIcolina. Tales compuestos compiten con ella en la transmisin del impulso nervioso y bloquean los lugares para la produccin continua de acetilcolina. Algunos anestsicos locales son afectivos en el bloqueo cortos de de sitios en la formacin a

la acetilcolina en periodos

tiempo. Modelo de un anestsico local es el

clorhidrato de procaina, conocido corrientemente como Nuvocana:

El que

curare un puede letal

alcaloide causar de la

(Sec.

8.7.2),

es un grupo bloqueador efectividad

tan poderoso por el

muerte. Su las la selva.

esta comprobada con

carcter

las puntas de de

flechas cubiertas

esta sustancia,

usadas por algunas tribus

Otros simptico. (adrenalina) como

aminoalcoholes Dos de estos

tienen

efecto la

en

el

sistema y

nervioso la epinefrina sirven

compuestos

norepinefrina

que son hormonas secretadas por de transmisin para parte

la medula suprarrenal,

agentes

del sistema nervioso simptico y

funcionan como una alarma qumica

46

cuando un organismo debe ser impulsado a enfrentar una situacin de "stress". En respuesta a la estimulacin del sistema nervioso simptico, la medula suprarrenal libera cantidades masivas de estas hormonas, las cuales hacen que cada rgano quede listo para la accin. Estructuralmente se parecen a la bencedrina que tambin es una -ariletilamina. La epinefrina se usa para aumentar la presin sangunea y estimular el msculo del corazn, la efedrina alivia los espasmos bronquiales y la bencedrina se utiliza para reducir la congestin nasal.

La dihidroxifenilalcalina (Dopa) se usa para

el control de la enfermedad de Parkinson normalizando la vida de individuos afectados con dicha enfermedad.

47

8.7.2 Alcaloides

Las aminas y sus derivados son de los compuestos orgnicos mas ampliamente distribuidos en la naturaleza. As, muchas plantas superiores contienen sustancias nitrogenadas bsicas llamadas alcaloides ("parecidas a un lcali"). Tales compuestos pueden extraerse de las hojas, flores, tallos o frutos de las plantas mediante dilucin cida. Posteriormente los alcaloides libres pueden regenerarse mediante tratamiento con una base acuosa.

Aunque no se conoce bien la funcin de estos compuestos en los procesos bioqumicos de las plantas vivas es bien conocida su marcada accin fisiolgica cuando son administrados a los animales y al hombre. Los alcaloides varan en estructura de lo simple a lo complejo. La nicotina (del tabaco) es uno de los que tienen estructura mas sencilla. En grandes dosis, es txica y el sulfato de nicotina se emplea como insecticida. En pequeas dosis (como la que obtiene un fumador) la nicotina acta como estimulante del sistema nervioso autnomo (involuntario) pero al seguirse ingiriendo (fumador consumado) la nicotina puede deprimir ese mismo sistema nervioso y llevarlo a una actividad inferior a la normal. La quinina uno de los relativamente complejos en 48

estructura, por el contrario ha tenido importante valor medicinal en el tratamiento del paludismo. Los alcaloides txicos pueden clasificarse en a) narcticos, b) c) alucingenos. venenos letales,

Un narctico, (del griego narKoticos, entumecimiento) si se administra en dosis medicinales, alivia el dolor y produce sueo. En coma, convulsiones y finalmente la muerte. dosis mayores origina estupor,

La papaverina, morfina, herona, codenas y compuestos relacionados se obtienen de la adormidera (Papaver Somniferum) y hacen parle del opio (jugo seco de la vaina Inmadura de la semilla de esa planta). La accin sedante de los opiatos

se ejerce por completo sobre el sistema nervioso central. Estos narcticos del opio tienen un esqueleto estructural similar (Figura 8.2).

Otros tambin de la clase de narcticos contienen el sistema del anillo de tropano

Entre estos, la

atropina, (que se encuentra en la Atropa belladona) se emplea en

gotas para los ojos, con el fin de dilatar la pupila. La escopolamina (o "suero de la verdad") se ha empleado como sedante preoperatorio y es un arma peligrosa

49

usada, para fines criminales. La cocana, un analgsico y estimulante indeseado por su abuso, es responsable de gran parte de la descomposicin moral contempornea. Son ejemplos de alcaloides fuertemente venenosos (o letales): la coniina (conium aculatum o cicuta) y el cloruro de tubocuranina (del curare). Los alucingenos que son compuestos (drogas) que estimulan las percepciones sensoriales (se oyen voces extraas y se ven visiones alarmantes) sin fundamento en la realidad fsica son tambin alcaloides. Entre los alucingenos que mas se ha abusado estn el LSD (dietilamida del cido lisrgico), la mescalina (3,4,5trimetoxifeniletilamina), la psilocibina (4-fosforil-N,N-dimetiltriptamina) STP* o DOM (2,5-dimetoxi-4-

metilanfetamna), DMT (N,N-dimetiltriptamina). Se han hecho infinidad de intentos a fin de explicar y localizar la accin de los alucingenos. Por ejemplo, la semejanza estructural de la mescalina y el STP con la epinefrina y la norepinefrina (vase p. 47) sugieren un posible eslabn entre estas drogas y las hormonas.

__________________________ * En la jerga actual de las drogas, las letras STP significan Serenidad,

Tranquilidad y Paz.

50

Figura 8.2. Estructuras de alcaloides diversos.51

8.8 HETEROCICLICOS AROMTICOS NITR0GENADOS

Un compuesto heterocclico es uno que contiene un anillo construido con mas de una clase de tomo. Los compuestos heterocclicos aromticos ocurren ampliamente en la naturaleza y los heterotomos mas frecuentes son oxgeno, nitrgeno y azufre. En esta seccin nos concentraremos en los heterocclicos aromticos del nitrgeno. La Tabla 8.3 alista los nombres y estructuras (con su numeracin) de algunos de los miembros mas importantes de esta familia. Los alcaloides estudiados en la seccin anterior incluyen varios ejemplos de compuestos con anillos heterocclicos conteniendo nitrgeno unos alifticos y otros aromticos.

Tabla 8.3

Algunos compuestos Nitrogenados Heterocclicos Importantes Nombre Estructura Nombre

Estructura

52

Tabla 8.3

Algunos compuestos Nitrogenados Heterocclicos Importantes (continuacin) Nombre Estructura Nombre

Estructura

Puede observarse que para numerar las posiciones anulares, generalmente se le asigna a los heterotomos, los nmeros ms bajos posibles. En las subsecciones siguientes se discutirn unos pocos de ellos.

8.8.1 Heterocclicos Aromticos de Seis Miembros

8.8.1.1 Piridina y Derivados Naturales

La piridina es el anlogo nitrogenado directo del benceno. Es plana con ngulos de enlace de 120; los cuatro enlaces carbono-carbono son de igual longitud, como lo son tambin las dos uniones carbono-nitrgeno. Resiste las adiciones y puede someterse a reacciones de sustitucin electroflica. Su calor de combustin revela una energa de resonancia de 23 Kcal/mol. La 53

piridina puede considerarse un hbrido de las estructuras de KeKul I y II. Se representar como III, donde el crculo representa el sexteto aromtico.

Es uno de los heterocclicos del nitrgeno mas abundantes comercialmente a partir del alquitrn mineral.

y

se obtiene

La piridina es un lquido

incoloro, hgrocspico de olor muy desagradable, es soluble en agua y en la mayor parte de los solventes orgnicos. Tiene un p.f. de -42 C y p.e. de 115 C. El par de electrones no compartido del nitrgeno no est involucrado en el sistema electrnico anular de tal manera que estos electrones pueden combinarse con protones (H +), 2.3 x 10 -9 (pKb = 8.64). por tanto la piridina es una base dbil con Kb =

Como otras aminas, tambin la piridina tiene propiedades nucleoflicas es decir, que puede reaccionar con los halogenuros de alquilo, formando sales de amonio cuaternarias (Sec. 8.4.1).

54

Las otras propiedades orgnicas de la piridina son las que tienen que ver con su aromaticidad. El anillo de piridina puede someterse tanto a la sustitucin electroflica aromtica como a la sustitucin nucleoflica aromtica.

Sustitucin Electroflica Aromtica

Debido a que el nitrgeno es mas electronegativo que el carbono, este atrae densidad electrnica haciendo el anillo de piridina mucho menos reactivo que el benceno. Las posiciones mas afectadas son las 2,4,6:

Por tanto las reacciones de sustitucin Electroflica aromtica con reactivos electroflicos ocurren menos fcilmente con la piridina que con benceno. Estas reacciones requieren condiciones energticas y la sustitucin tiene lugar en la posicin 3. Solo es posible nitrarla, sulfonarla y halogenarla.

55

La piridina no sufre al quilaciones de Friedel-Crafts ni tampoco se enlaza con sales diazonio.

Sustitucin Nucleoflica Aromtica

Aunque esta clase de reaccin no ha sido estudiada anteriormente vale la pena mencionar que anillos bencnicos fuertemente desactivados pueden

reaccionar tambin con agentes nucleoflicos siendo el resultado neto una sustitucin nucleoflica. Ya que el anillo de piridina esta desactivado por el efecto atractor de electrones del nitrgeno, la sustitucin nucleoflica procede aqu con facilidad, principalmente en las posiciones 2 y 4 que tienen un sustituyente halgeno:

56

La reactividad de la piridina en las sustituciones nucleoflicas es tan grande que, incluso, es posible desplazar un ion hidruro, :H-, fuertemente bsico.

En la naturaleza el anillo de la piridina est contenido en el veneno mortal nicotina (un alcaloide) no obstante, el cido nicotnico (niacina), el producto de oxidacin correspondiente, es vitamina B3, una de las vitaminas B, esenciales para el cuerpo humano (soluble en agua). La carne es su fuente principal. La niacina previene la pelagra, enfermedad que se caracteriza por dermatitis, pigmentacin aumentada, engrosamiento de la piel y lcera en la boca y la lengua. Esta enfermedad es un problema particular en reas donde el maz constituye parte principal en la dieta debido a que el maz es bajo en triptfano (un amino cido esencial), el cual puede transformarse en niacina por nosotros mismos;

Por cada 60 mg de triptfano absorbido en la dieta se produce 57

alrededor de 1 mg de niacina (la dosis requerida por la mayor parte de la gente). Ciertos cereales enriquecidos pueden llegar a contener directamente, la niacina necesaria, pero sta se pierde en la molienda y por coccin prolongada. De all la recomendacin de consumir los granos completos de los cereales. La vitamina B, (piridoxina) es un compuesto con el ncleo de la piridina que se encuentra en los granos de los cereales, carnes, pescados y yemas de huevo.

El piridoxal y la piridoxamina relacionados entre s, tambin exhiben la actividad de la vitamina B6

8.8.1.2 Pirimidina y Derivados Naturales

Entre los compuestos aromticos con dos nitrgenos en un anillo de seis miembros resulta muy importante la pirimidina cuyo ncleo ocurre muy ampliamente en organismos vivientes. La pirimidina es un compuesto incoloro, p.f. 22.5C y p.e. 124C. Se considera como un hbrido de resonancia al cual contribuyen las estructuras no-cargadas de KeKul IV y V las cuales se representan con una sola (VI) con el crculo.

58

Tambin podran escribirse otras estructuras contribuyentes cargadas. La piridina la cual acepta dos protones bajo condiciones extremadamente cidas (pKb1 = 12.7, pKb2 = 20.9) es una base mucho mas dbil que la piridina (pKb, 8.64). Aunque la pirimidina no se ha encontrado por s misma en la naturaleza, muchas pirimidinas sustituidas y compuestos en los cuales el anillo de pirimidina es parte de un sistema de anillos mas complejo se encuentran ampliamente en la naturaleza. Son ejemplos: las vitaminas B1, B2 y el cido flico. La vitamina B1, a menudo llamada tiamina y ocasionalmente aneurina, es una sal de tiazolio que contiene el anillo piridimino.

H2CH20H

Cloruro de tiamina Es necesaria para prevenir el beriberi, enfermedad muy comn cuando se usa una dieta consistente principalmente en arroz sin cscara. La vitamina est presente en la cscara de este cereal, la cual se elimina en el proceso de "limpieza". hombre El

59

precisa solamente 1 mg de tiamina al da y la falta de ella provoca desrdenes en el sistema nervioso. Adems del arroz son buenas fuentes las carnes magras (sin grasa) y las legumbres. El alcoholismo y la deficiencia en tiamina estn aparentemente relacionados. El consumo de alcohol disminuye frecuentemente el apetito, lo que, a su vez, conduce a una deficiencia de tiamina y aumenta el deseo por el alcohol. La vitamina B2 (riboflavina) comprende un anillo parcialmente reducido de pirimidina. Se encuentra en el germen del trigo, la levadura y ciertas carnes (hgado, riones y corazn). Aproximadamente 1.5 mg por da son requeridos en la dieta humana.

Riboflavina

Es un pigmento amarillo-verdoso fluorescente necesario a las coenzimas de flavina. La irradiacin por luz, la accin de sustancias alcalinas, o coccin prolongada destruyen la riboflavina. Las deficiencias de esta vitamina producen inflamacin y rompimiento del tejido alrededor de la boca, nariz y la lengua, descamacin de la piel, quemadura y picazn en los ojos. El cido flico (o folacina) se encuentra extendido en la naturaleza y es necesitado por aquellas enzimas que transfieren 60

grupos formilo (-CHO) en la sntesis de cidos nucleicos y el grupo hemo de la hemoglobina (Figura 8.3). Una deficiencia de esta vitamina produce anemia megaloblstica pero no anemia perniciosa como se crey alguna vez.

Acido Flico Son buenas fuentes de folacina, vegetales frescos, esprragos, hgado y riones. La folacina es relativamente inestable al calor, aire y luz UV y su actividad se pierde en la coccin y almacenaje. Ciertas pirimidinas, las bases timinas, citosina y uracilo son tres de las cinco bases que hacen parte de los nucletidos que configuran el ensamblaje de los cidos nucleicos DNA y RNA. Como se sabe estos son los cidos de la vida y juegan un papel fundamental en la transmisin de la informacin hereditaria.

Tintina = T

Citosina = C

Uracilo = U

La timina se encuentra solamente en el DNA y el uracilo en el RNA, La citosina es comn a los dos.

61

8.8.2 Heterocclicos Aromticos de Cinco Miembros

8.8.2.1 Pirrol y Derivados Naturales

Para que un heterocclico con anillo de cinco miembros sea aromtico, el heterotomo debe tener dos electrones para donar a la nube ir aromtica. El pirrol es un ejemplo de esta clase de heterocclicos. Es una molcula planar con ngulos de enlace de 120. Cada tomo del anillo, sea carbono o nitrgeno, est unido a otros tres por medio de un enlace , para cuya formacin el tomo utiliza tres orbitales sp2. Luego de contribuir con un electrn para cada enlace , le

queda a cada carbono del anillo un electrn, mientras que al nitrgeno le sobran dos; todos estos electrones ocupan orbitales p que, al traslaparse entre si, generan nubes : una encima y otra debajo del plano del anillo, con un total de seis electrones o el sexteto aromtico. La molcula suele representarse mediante la estructura VII con dobles enlaces localizados o las estructuras hbridas VIII y IX,

a las cuales contribuyen unas cinco estructuras resonantes (donde VII es una de ellas). Como el par de electrones sobre el nitrgeno se encuentra comprometido en la nube , y no est disponible para compartir 62

con cidos, el prrol es una base muy dbil (Kb ~ 25 x 10 -14 , pKb = 13.6) .

El pirrol se encuentra en cantidades pequeas en el alquitrn de hulla, como tambin en los huesos y otros productos derivados de las protenas. Es un lquido incoloro, p.e. 129 C (760 mm), d420 0.968 con un olor parecido al cloroformo. Se torna caf bajo exposicin al aire y es miscible con la mayor parte de los compuestos orgnicos. Disuelve 3%, de su peso en agua a 25 C.

A causa de que los carbonos de los anillos son la parte negativa de la molcula del pirrol (estructura IX), estos carbonos son activados hacia el ataque electroflico, pero desactivados hacia el ataque nucleoflico. (Esta reactividad es opuesta a la de la piridina). El pirrol sufre entonces reacciones de sustitucin electroflica con gran facilidad, como nitracin, sulfonacin, halogenacin, acilacin de FriedelCrafts e incluso acoplamiento con sales diazonio. La sustitucin ocurre principalmente en la posicin 2, Observe que las condiciones de reaccin son bastante suaves.

63

Ejemplos

Son numerosos los productos naturales que contienen el anillo de pirrol.

Tambin

hace parte del sistema de anillo de porfirina una unidad de mucha importancia en la biologa y que se encuentra en la estructura hemo o grupo prosttico hemoglobina, que es la protena que transporta el oxgeno en la sangre. de la

Tambin

se encuentra en la clorofila el pigmento vegetal esencial de la fotosntesis en los citocromos, compuestos involucrados en la utilizacin de O2 por parte de las clulas de animales. Las estructuras de estos compuestos se muestran en la Figura 8.3. La porfirina (X) , la ms simple, consiste de cuatro anillos de pirrol enlazados por grupos metino =C-H-. Todo el sistema de anillos es aromtico. Los hidrgenos de pirrol del sistema de anillos de la porfirina pueden ser

reemplazados por diversos iones metlicos. El producto es un quelato (XI), de la palabra griega "quele" (pinza de cangrejo) un compuesto o in en el que el metal est enlazado por ms de un enlace con la molcula original. porfirina, el quelato es plano 64 Con el sistema

plano y estabilizado por resonancia

alrededor del in metlico y en la resonancia es el resultado de cuatro enlaces equivalentes de los tomos de nitrgeno al metal.

Figura 8.3. Algunas porfirinas de importancia biolgica. La vitamina B12 (cianocobalamina) tambin contiene el sistema porfirina (Figura 8.4) . 65

Figura 8.4. Estructura de la Vitamina B12.

Es un factor especfico que controla la anemia perniciosa. Esta enfermedad por deficiencia, sin embargo, es muy rara y obtener una dieta que no supla suficiente de esta vitamina es difcil. Los alimentos animales (particularmente, hgado, riones, carnes magras, productos de la leche y huevos) son virtualmente las nicas fuentes, y los verdaderos vegetarianos son los que proporcionan la mayor parte de los pacientes con deficiencia de Vitamina B12.

8.8.2.2 Imdazol y Compuestos Naturales Relacionados

El imidazol, p.f. 90C (p.e. 256C) es un slido altamente cristalino, soluble en agua pero casi insoluble en ter de petrleo. Es una base (pKb = 6.8) mas fuerte que la piridina y forma muchas sales cristalinas estables. Puede representarse

66

mediante las estructuras:

El imidazol experimenta reacciones de sustitucin electroflica aromtica especialmente en la posicin 4. Por ejemplo, la nitracin toma lugar va el catin XII en solucin de cido sulfrico:

Muchos derivados del imidazol tienen poderosas propiedades farmacolgicas tales como las dos imidazolinas, Priscol y Privina que son agentes vasodilatador y vasoconstrictor respectivamente y la Antistina una droga antihestamnica.

El anillo de imidazol ocurre en un nmero de compuestos naturales incluyendo las bases purnicas adenina y guanina (Sec. 8.8.3.2) de Tambin hace parte del aminocido67

los

cidos nucleicos.

esencial L-histidina y sus derivados.

Precisamente la mejor sntesis de histidina empieza desde imidazol.

8.8.3 Heterocclicos Fusionados

8.8.3.1 Indol y Compuestos Naturales Relacionados

El indol es un, slido cristalino incoloro, p.f. 52 el cual hierve con alguna descomposicin a 254 C. Es notablemente voltil y es fcilmente soluble en la mayor parte de los compuestos orgnicos. Cuando est puro tiene un olor agradable, pero muy persistente, por lo cual se ha usado como base de perfumes. Su estructura puede representarse como XIV o XV:

La

estructura

XIV es una de las 6

posibles contribuyentes

al hbrido de

resonancia, considerada como la mas importante. Como se observa el sistema de los dos anillos es completamente

68

aromtico. La energa de resonancia del indol, calculada de su calor de combustin es ~47-49 kcal/mol. El aumento en energa de resonancia (24 kcal/mol) sobre el pirrol (23-27 kcal/mol) muestra el efecto de fusionar otro anillo aromtico. Las propiedades qumicas del indol son, en general, bastante similares a

aquellos del pirrol teniendo en cuenta la marcada influencia estabilizante. El indol sufre sustitucin electroflica aromtica en la posicin 3. El indol por si mismo ocurre libre en los jasmines, en las flores de la naranja, frutos ctricos, etc. Se forma por la descomposicin de residuos del aminocido triptfano en protenas. Muchos derivados del triptfano son de gran inters biolgico. El Ltriptfano un -aminocido esencial al hombre y muchos organismos vivientes, es constituyente de muchas protenas. Se descompone si las protenas se hidrolizan por cidos pero no cuando se emplean lcalis. El triptfano que contiene el sistema de anillos del indol sufre muchas transformaciones en animales. Por ejemplo, es decarboxilado a triptamina e hidroxilado en la posicin 5, para formar 5hidroxitriptamina (o serotonina) de inmenso inters fisiolgico y bioqumico.

L-Triptfano

Triptamina

Serotonina

Varios alcaloides alucingenos contienen el ncleo del indol. La69

reserpina otro alcaloide extrado de una especie de raz de serpentaria india, se ha usado desde hace muchos arios en el continente asitico para tratar disentera, epilepsia, y locura. Es una de las drogas llamadas tranquilizadoras.

Reserpina

8.8.3.2 Purina y Compuestos Naturales Relacionados

El sistema de anillo de purina es uno de los mas importantes que se encuentra presente en ciertos nucletidos de los cidos de la vida DNA y RNA. Tambin hace parte de un nmero de coenzimas, el antibitico puromicina, el cido rico, la cafena y compuestos relacionados (los estimulantes del t, caf y cocoa), y de varios tipos de compuestos que son tiles en el tratamiento de ciertos tipos de cncer, etc. La purina es un compuesto incoloro p.f. 212 C, muy soluble en agua pero escasamente soluble en solventes. Su estructura resulta de la fusin de un anillo de pirimidina (p. 60) y de un anillo de imidazol (p.67) , puede representarse como:

70

La purina (pkb = 11.6) es una base ms fuerte que la pirimidina. Es tambin una base mucho ms dbil pero un cido ms fuerte (pka 8.9) que el imidazol (pka 14.5). Estas propiedades son consistentes con el anillo de "pirimidina" atrayendo electrones del "imidazol" en el anillo de purina. Varias bases de purina estn ampliamente distribuidas en organismos vivientes y a menudo ocurren como derivados complejos de gran inters biolgico. Pero indudablemente las mas importantes son las denominadas bases pricas adenina y guanina componentes de los cidos nucleicos DNA y RNA.

Adenina (A) (6-Aminopurina)

Guanina (G) (2-Amino--oxipurina)

71

BIBLIOGRAFA

Ref. 1. Morrison, T.M. y Boyd, N.B. "Qumica Orgnica", 4a. Ed. , Fondo Educativo Interamericano, 1985. Ref. 2. Fessenden, R.J. y Fessenden, J.S., "Qumica Orgnica", Wadsworth Internacional/Iberoamericana, 1983. Ref. 3. Solomons, T.W.G., "Qumica Orgnica", Editorial Limusa, Mxico, 1985. Ref. 4. Pine, S.H. , Hendrickson, J.B., Cram, D.J. y Hammond, G.S., "Qumica Orgnica", 4a. Ed., Mc Graw-Hill, Mxico, S.A., 1982. Ref. 5. Baum, S.J., "Introduccin a la Qumica Orgnica y Biolgica", la. Ed., Editorial Continental, S.A., Mxico, 1981. Ref. 6. Wingrove, A.S. y Caret, R.L., "Organic Chemistry", Harper & Publishers, New York, 1981. Ref. 7. Reusch, W.H., "Qumica Orgnica", Mc Graw-Hill, Mxico, Bogot, 1979. Ref. 8. Allinger, N.L., Cava, M. P., De Jongh, D.C., Johnson, C.R., Lebel, N.A. y Stevens, C.L., "Qumica Orgnica", Editorial Revert, S.A., Barcelona, 1976. Ref. 9. Oullette, R.J., "Introduccin a la Qumica Orgnica", Harper & Row Latinoamericana, 1973. Ref. 10. Holum, J.R., "Organic and Biological Chemistry", JohnWiley & Sons, New York, 1978. Ref . 11. Neckers, D.C. y Doyle, M.P. "Organic Chemistry", John Wiley & Sons, New York, 1977.

Row,