Download - 09 aminas 2012
Universidad de Santiago de Chile Ingeniería de Ejecución Química Q. Orgánica – Dr. N. Carrasco 2012
AMINAS
1- Introducción
Son compuestos orgánicos derivados del amoniaco, que se pueden visualizar como una molécula de este compuesto
nitrogenado a la que se le han sustituido uno, dos o los tres átomos de hidrógeno por radicales carbonados. Según este
criterio las aminas se clasifican en primarias, secundarias o terciarias, respectivamente. Al igual como el amoniaco
actúa como una base en solución acuosa formando ion amonio y, en forma análoga, las aminas primarias, secundarias y
terciarias son bases moderadamente más fuertes que el amoniaco y forman iones amonio. Cuando todos los átomos de
hidrógeno de estos son sustituidos por radicales carbonados, se obtiene una sal de amonio cuaternaria, al incorporar el
correspondiente contraion (el ion cloruro en figura 1)
Las aminas se encuentran ampliamente distribuidas en el mundo natural y tienen especial importancia en el ámbito
biológico. La figura 2 muestra diversas aminas naturales y sintéticas de importancia biológica.
N
N
N
N
O
CH3
O
CH3
CH3
cafeína(hojas de té, mate y semilla de café)
CH2CH3O
CH3O
OCH3
mescalina(cactus Peyote)
CH2
NH2
N
CH3
O
C
C
O
C6H5
O
OCH3
cocaína(hoja de coca)
N
HOCH2CH2NH2
H serotonina(neurotransmisor) adrenalina
(neurotransmisor y hormona de alerta)
CH2
NHCH3
CH
HO
OH
OH
HO
HO
O
NCH3
H
morfina(alcaloide del opio)
(terciaria)(secundaria)(primaria)trimetilaminaN-metiletilaminapropilamina cloruro de tetrametil amonio
(sal de amonio cuaternaria)
ClN
CH3
CH3CH3
CH3
CH3 N CH3
CH3
CH3CH2 N CH3
H
CH3CH2CH2NH2
Figura 2
Figura 1
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2. Estructura y propiedades físicas
Al igual que el amoniaco, las aminas alifáticas tienen una geometría aproximadamente tetraédrica. En el amoniaco, el
ángulo H-N-H es de 107 º, mientras en estas aminas los ángulos H-N-H, H-N-C y C-N-C aumentan levemente en
función del volumen de los grupos alquilo que las presentes. La figura muestra uno de los orbitales moleculares del
amoniaco en que se observa en rojo la zona ocupada por el par electrónico no compartido y de qué modo éste influye en
la estructura y propiedades de las aminas.
La tabla 1 muestra una comparación de las propiedades físicas de algunas aminas, alcanos y alcoholes de pesos
moleculares comparables. En ella se observa que las aminas poseen puntos de ebullición significativamente mayores
que los alcanos, pero, inferiores que los de alcoholes.
Tabla 1
compuesto PM [g/mol] p.e., ºC compuesto PM [g/mol] p.e., ºC
CH3CH3 30 -88,6 CH3CH2CH3 44 -42,1
CH3NH2 31 -6,3 CH3CH2NH2 45 16,6
CH3OH 32 65,0 CH3CH2OH 46 78,5
Las aminas primarias y secundarias, al igual que los alcoholes pueden formar puentes de hidrógeno intermoleculares en
el líquido puro, mientras los alcanos no tienen esta capacidad. Esta fuerza de asociación explica el orden de los puntos
de ebullición. La existencia de esta fuerza explica a su vez la diferencia de puntos de ebullición de las aminas isómeras
de la figura 3.
Por su parte, la solubilidad en agua sigue la misma tendencia que la que presentan los alcoholes en el sentido que las
aminas de hasta 4 átomos de carbono son miscibles con agua, observándose una rápida disminución de la solubilidad al
aumentar la cadena carbonada. La solubilidad de las aminas de bajo peso molecular se debe fundamentalmente a la
capacidad de éstas de formar puentes hidrógeno con el agua.
CH3CH2CH2N
HH CH3
N
CH3CH3
CH3CH2N
HCH3
propanaminap.e. 48ºC
N-metiletanaminap.e. 37ºC
N,N-dimetilmetanaminap.e. 3ºC
N
N
O
C6H5
CH3
Cl
diazepam
O
NHCH3
CF3
fluoxetina o Prozac (antidepresivo)
Figura 2 (continuación)
Figura 3
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CH3CH2CHCH2 N
CH2CH2CH2CH3
CH2CH2CH2CH3
CH2CH2CH2CH3
CH3CH2CH2CH2 N CH2CH2CH2CH3
CH2CH2CH2CH3
CH3CH2CH2CH2 N
H
CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2NH2+CH3CH2CH2CH2 Br
CH3CH2CH2CH2Br+
+CH3CH2CH2CH2Br
Br
Ejercicio
Haga una representación gráfica que muestre los puentes hidrógeno formados (a) en la butanamina pura; (b) en una
solución acuosa de trimetilamina
3. Preparación de aminas
A nivel industrial la producción de metilaminas y de anilina son las de mayor importancia. Con una producción mundial
que alcanza a aproximadamente 1,0 · 106 toneladas/año, en el caso de las metilaminas, la reacción se lleva a cabo
tratando metanol con amoniaco, con catálisis de óxido de aluminio, según la reacción:
Este es un proceso específico para la obtención de metilaminas y aA estas temperaturas se alcanzan condiciones de
equilibrio en las que se obtiene una mezcla de las tres metilaminas. Por ejemplo, a 500ºC y usando una razón
amoniaco/metanol = 2,4 : 1 se obtiene un 56% de metilamina, 26% de dimetilamina y 20% de trimetilamina, con un
94% de selectividad hacia la formación de metilaminas.
(a) Sustitución nucleofílica de haluros de alquilo. Figura 4
Si el nucleófilo está en exceso, puede actuar como base neutralizando el ion amonio, lo que genera la amina primaria
como producto. En cambio, cuando el nucleófilo no está en exceso, la amina primaria obtenida puede actuar como
nucleófilo y producir una amina secundaria (ver figura 5).
Figura 5
Este ciclo se puede repetir hasta obtener la sal de amonio cuaternaria como muestra la figura 6. En estas condiciones se
obtiene una mezcla de aminas primaria, secundaria, terciaria y eventualmente la sal de amonio cuaternaria. Figura 6
CH3OH NH3+ +Al2O3 · SiO2
350 - 500ºC; 20-30 barCH3NH2 H2O(CH3)2NH (CH3)3N ++
Amina 3ª
bromuro de tetrabutilamonio (sal de amonio cuaternaria)
Amina 2ª
producto principalamina primaria
NH4+CH3CH2CH2CH2 N H
H
CH3CH2CH2CH2 N
H
H
H
+ NH3A-B
ion butilamonio
Br+CH3CH2CH2CH2 N
H
H
H
sustrato
nucleofilo
NH3+CH3CH2CH2CH2 Br AN
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Figura 7 NO2
Fe / HCl
N
H
HH
ClNH2
+ NaClNaOH
H2O
sal de amonio
H2 (exceso ) / Cu / SiO2;9 : 1 270 -290ºC; 1 - 5 bar
Figura 6 (continuación)
(b) Reducción de nitrocompuestos
A escala de laboratorio e inicialmente también a nivel industrial la reducción del grupo nitro se realiza con metales tales
como Sn, Fe y Al como agentes reductores, ya que en presencia de ácido generan hidrógeno (H2). A nivel industrial,
actualmente la anilina se produce en un volumen superior a los 3 millones de toneladas. Se obtiene preferentemente por
hidrogenación catalítica en procesos en fase líquida y gaseosa, como el proceso que desarrolla las BASF descrito en la
figura 7.
(c) Reducción de nitrilos
A escala de laboratorio, la reducción de nitrilos puede realizarse utilizando hidruros tales como LiAlH4 en éter etílico
como solvente. A nivel industrial, el método preferido es la hidrogenación catalítica como muestra la figura 8
4-Reacciones 4.1. Basicidad
Al igual que el amoniaco, en solución acuosa, las aminas se comportan como bases y sus equilibrios ácido-base se
pueden describir mediante las ecuaciones indicadas en la figura 9.
Ambos equilibrios describen la misma propiedad y en solución acuosa están relacionados mediante la constante de
autoionización del agua, Kw, que regula la relación entre la [H3O+] y [HO-], de modo que:
Ka · Kb = 1,0 · 10-14 = Kw (en agua a 25º C) (1/Ka) · (1/Kb) = 1/ 1,0 · 10-14
Tomando logaritmos, se obtiene: log 1/Ka + log 1/Kb = pKa + pKb = 14,00
CH3CH2NH2 + H2O CH3CH2NH3 + HO Kb = [CH3CH2NH3] [HO ]
[CH3CH2NH2]
CH3CH2NH3 + H2O CH3CH2NH2 + H3O Ka = [CH3CH2NH3]
[H3O ][CH3CH2NH2]
(100%)hexametilendiaminaadiponitrilo
CH2CH2CH2CH2CH2CH2 NH2H2N
2)
1)
NaOH / H2O
50ªC; 50 psi, 45-60 min.
CH3CO2Na+ H2
Ni Raney (cat.) / 4CH2CH2CH2CH2 C NCN
Figura 9
Figura 8
+ CH3I+ N(CH3)3 I N(CH3)2NHCH3 CH3 I
nucleofilo sustrato nucleofilo no nucleofilo
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NH2CH3
Las ecuaciones anteriores demuestran que las constantes Ka y Kb no son independientes entre sí, sino, que el valor de
una determina el valor de la otra. Por este motivo, son los valores de Ka los que se encuentran habitualmente tabulados,
sin embargo, debe recordarse que estos se refieren al ion amonio. La tabla 2 muestra valores de pKa de los iones amonio
(y los correspondientes valores de pKb de las aminas).
Tabla 2: Valores de pKa para el equilibrio RNH3+ + H2O RNH2 + H3O
+ (en agua a 25ºC)
ion amonio pKa Ka base pKba
10,657 2,70 ·10-11 3,343
10,732 1,85 · 10-11 3,228
10,66 2,19 · 10-11 3,34
5,08 8,32 · 10-6 8,92
4,73 1,86 · 10-5 9,27
4,63 2,34 · 10-5 9,37
3,46 3,47 · 10-4 10,54
4,15 7,08 · 10-5 9,85
2,466 3,42 · 10-3
11,533
6,953 1,11 · 10-7 7,047
a Valores de pKb para el equilibrio RNH2 + H2O RNH3+ + HO-
NH3+
NH2
NH3+
Cl
NH2
Cl
NH3+Cl
NH3+
CH3
NH2
CH3
NH3+CH3
NH3+ NH2
CH3NH3+ CH3NH2
(CH3)2NH2+ (CH3)2NH
NH2Cl
NH3+
O2N
NH2
O2N
NNH
NNH
H
NH2CH3
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> 200 º
C OH
O
+ (CH3CH2)2NH
CN CH2CH3
O
CH2CH3
Figura 10
CH3COH
O
+ NH3 CH3C
O
O NH4 CH3C NH2
O
+ H2O (g)
ácido base sal
> 200 º
Como se puede observar, las aminas alifáticas tienen pKa ~ 10-11 (Ka ~ 10-10 a 10-11 pKb ~3-4 Kb ~ 10-3 a 10-4).
Por su parte, las aminas aromáticas tienen pKa ~ 5 y con sustituyentes electroatrayentes pueden llegar a pKa = 1,0 (p.ej.
p-nitroanilina)
4.2 Acidez de aminas
Las aminas pueden actuar como ácido, pero, son ácidos extremadamente débiles y esta propiedad se presenta en medio
no acuoso, como muestra la figura 11
Figura 11
El ion NH2- generado en la solución de amoniaco líquido es una base extremadamente fuerte, ya que deriva de un ácido
muy débil (NH3 tiene Ka ~ 10-35). La reacción ácido-base también puede tener lugar con otras bases ver (figura 12):
Esta base ha sido utilizada con singular éxito en reacciones de síntesis ya que, a diferencia del ion amiduro (NH2-), es
igualmente fuerte como base, pero, su mayor volumen la hace inerte como nucleófilo.
4.3. Formación de amidas
La formación de amidas tiene lugar por reacción directa entre un ácido carboxílico y amoniaco, una amina primaria o
secundaria (pero no terciaria). Sin embargo, inicialmente se produce una reacción ácido-base que da lugar a la formación
de una sal de amonio, como muestra la figura 13.
Figura 13
También se pueden forman por reacción con cloruros de ácido o con anhídridos (ver figura 14).
Figura 12
NH3O2N H2O NH2O2N H3O+ +
NH3(l) + Na (s) Na NH2 + 1/2H2o
< 0 º
NH3 líquido
sodamida
(g)
(Ka = 1,0· 10-1)
+-
diisopropilamida de litiodiisopropilamina
benceno C4H10+(CH3)2CH N CH(CH3)2 LiCH3CH2CH2CH2 Li+(CH3)2CH N CH(CH3)2
H
butil litio(LDA, base 2)(ácido 1) (base 1)
butano(ácido 2)
Universidad de Santiago de Chile Ingeniería de Ejecución Química Q. Orgánica – Dr. N. Carrasco 2012 Figura 14
En el segundo ejemplo, la piridina (p.e. 100º) actúa como solvente y base, capturando el ácido formado (3ª ecuación)
La amina puede regenerarse posteriormente mediante una hidrólisis ácida o básica de la amida (figura 15). El
mecanismo de formación e hidrólisis de amidas se estudiará con mayor detención en el capítulo de ácidos carboxílicos.
Figura 15
4.4. Formación de sales de diazonio
La reacción de aminas con ácido nitroso (HNO2) da lugar a dos tipos de productos. Con aminas primarias se obtiene una
sal de diazonio, mientras que con una amina secundaria se forman N-nitrosaminas, como muestra la figura 16. Las
aminas terciarias no dan reacción con HNO2.
N-nitroso-N-metilanilina
N N O
CH3
H2SO4
KNO2
NHCH3
cloruro de bencendiazonio
0 º,HCl
NaNO2
ClN NNH2Figura 16
NaOH / H2OCH3CO2H+
NH2
H2O+
NC
CH3
H
O100ºC
acetanilida
CH3C OH
O
+
NC
CH3
H
OCH3C O CCH3
O O
+
NH2
N
HCl+C
O
N(CH2CH3)2
(CH3CH2)2NH+
CCl
O
+N + H Cl N H Cl
anilina anhídrido acético acetanilida
cloruro de benzoílo N,N-dietilbenzamida
piridina
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KCN
N2+
N2+
N2+
N2+
N2+
N2+
Cu2Br2
N N
Cl
Br
I
F
C N
OH
Cl
H
+ N2
Cu2Cl2
KI
HBF4
Cu2(CN)2
25 º
H3PO2
estable en solución
acuosa ácida a 0 ºC
El ácido nitroso es un ácido débil (pKa = 3,35) que se descompone rápidamente en solución acuosa de acuerdo a la
ecuación: 2 HNO2 NO + NO2 + H2O
Por esta razón que habitualmente se lo prepara “in situ” (de latín en el mismo sitio y en química significa además, en el momento) a partir de un nitrito alcalino y un ácido fuerte: NaNO2 (s) + HCl (ac) HNO2 (ac) + Na+
(ac) + Cl-(ac)
KNO2 (s) + H2SO4 (ac) HNO2 (ac) + K+(ac) + HSO4
-(ac)
Las sales de diazonio se preparan en solución acuosa y aquéllas de aminas alifáticas se descomponen espontáneamente
para dar alcohol. Sólo las sales de diazonio de aminas aromáticas son suficientemente estables como para cristalizarlas
y usarlas a baja temperatura (i.e. 0 a 5ºC) como intermediarios de síntesis en sustitución nucleofílica aromática y en
reacciones de síntesis de colorantes azoicos. (SEA). La figura 17 muestra el ámbito de la sustitución nucleofílica
aromática (SNA) sobre sales de diazonio. Figura 17
Como se puede apreciar, las sales de diazonio permiten la introducción de sustituyentes en el anillo bencénico, tales
como OH, I, F y CN, imposibles de incorporar mediante reacciones de sustitución electrofílica aromática. Un ejemplo
de estas reacciones de sustitución se muestra en la figura 18. Cabe hacer presente que, por cuanto cloro y bromo son
orientadores orto-para, no es posible obtener el producto final por halogenación directa.
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Además, las sales de diazonio permiten la síntesis de colorantes azoicos en una reacción en que el ion bencendiazonio
actúa como electrófilo, E+, para atacar a un sustrato aromático en una reacción conocida como copulación. Sin
embargo, esta reacción requiere que el sustrato esté muy activado hacia la SEA por lo que sólo ocurre normalmente
cuando el sustrato es un fenol, una anilina o un derivado alquilado de estos. La figura 19 ilustra la síntesis de laboratorio
de 1-fenilazo-2-naftol, un colorante azoico. Figura 19
Estos compuestos actúan como colorantes ya que absorben luz de la región visible del espectro luminoso (absorben luz
azul y lucen de color anaranjado), debido a que la reacción genera una conjugación más extendida en el colorante, en
comparación a la existente en los reactivos que son incoloros (ya que su espectro de absorción cae en la región UV y no
es visible al ojo humano). Cabe señalar que es posible formar el colorante de dos modos, según la molécula en la que se
coloca el grupo diazonio, sin embargo, de acuerdo a lo indicado anteriormente, dicha molécula (el electrófilo) sólo
reacciona con rendimientos aceptables con sustratos unidos a sustituyentes fuertemente electrodonantes.
Figura 20
Lectura adicional
Reusch, W., http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/amine1.htm#aminom (rev. 16-06-07; consultado 3-08-09).
March, J. y Smith, M.B., Advanced Organic Chemistry, 6ª ed., editorial Wiley-Interscience, 2007, pág. 918.
Coxon, J.M. y Gerrard, J.A., Worked Solutions in Organic Chemistry, editorial Blackie Academic and Professional,
1998, pág. 219.
N2Cl
OH
N2Cl
OH
1-fenilazo-2-naftol
+
+
0ºHCl, 0º2)
1)+
Cl
Br
CuCl
N2Cl
Br
HCl,
NaNO2
NH2
BrNaOH(ac)
Sn, HCl
NO2
Br
Br2Fe, Br2
NO2
140ºC; 4 hrs.
Figura 18
Cl
-naftol (incoloro)
cloruro de bencendiazonio (incoloro)
+
OH
NN
OHN N
(C.I. 12055; un colorante azoico)
1-fenilazo-2-naftolSudan I o Solvent Yellow 14
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N H N H
O
N H
Cl
N H
HO
pKa 11,3 9,9 8,9 7,2
Problemas propuestos
1. Escriba estructuras y dé nombre IUPAC, para todos los isómeros posibles de las siguientes fórmulas moleculares.
Rotule cada isómero con una letra y ponga ejemplos de cada tipo de isomería presente.
(a) C5H13N (b) C4H11N
2. (a) Compare las propiedades físicas de las aminas con las de alcanos y alcoholes de peso molecular comparable (ver
algún texto). Justifique sus observaciones.
(b) Qué valor esperaría usted para el p.e. de la trimetilamina, en comparación con la propanamina? Busque los
valores en un texto y justifique haciendo un diagrama de las fuerza presentes en uno y otro caso.
3. Proponga un método de preparación de las siguientes aminas, a partir del compuesto entre paréntesis
(a) anilina (benceno)
(b) 1-butanamina (1-butanol)
(c) 2-feniletilamina (2-feniletanonitrilo)
(d) N-metilanilina (nitrobenceno)
(e) ciclopentilmetanamina (bromociclopentano)
4. Escriba las 2 ecuaciones que ilustran las propiedades ácido-base de la anilina en agua a 25ºC. Al respecto,
(a) Calcule el pH y la concentración de todas las especies en equilibrio de una solución formada al disolver 6,50
kg de cloruro de anilinio (una sal iónica) en estanque que contiene 15 m3 de agua.
(b) Calcule el pH de la solución si se agrega 500 mL de HCl concentrado (37% p/p y d 1,19 g/mL)
5. Explique la tendencia de los valores de pKa de las siguientes familias de quinuclidinas:
6. Las aminas, al igual que el amoniaco, también pueden actuar como ácidos. Al respecto:
(a) Escriba una ecuación que muestre cómo se forma el ion amida (NH2- o una sal de éste)
(b) Usando la tabla de pKa entregada en clases, determine cual de los siguientes equilibrios estará desplazado hacia
la derecha
(i) 1-butino + Na+ NH2- CH3CH2CC- Na+ + NH3
(ii) benceno + LDA C6H5Li + diisopropilamina
7. Aplique 3 métodos a la preparación de las siguientes amidas. Dé nombre IUPAC a lo reactivos
(a) N,N-dimetilbenzamida (b) N-metil-N-feniletanamida (c) N-fenilmetanamida
8. Plantee un mecanismo que explique cómo se forma una sal de diazonio, a partir de una amina primaria y ác. nitroso.
En base a este mecanismo, indique por qué no se puede formar una sal de diazonio a partir de una amina secundaria.
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9. Proponga una secuencia de reacciones de síntesis de los siguientes compuestos, partiendo de material de partida
indicado entre paréntesis
(a) m-dibromobenceno (benceno)
(b) p-iodotolueno (tolueno)
(c) 1,3,5-tribromobenceno (anilina)
(d) ác p-fluorbenzoico (benceno o tolueno)
(e) 1,2,3-triclorobenceno (p-nitroanilina)
10. Proponga una síntesis para los siguientes colorantes azoicos, a partir de benceno, tolueno o 2-nitronaftaleno y, los
reactivos inorgánicos y solventes de su elección. Examine en cada caso, las dos formas posibles de hacer reaccionar
el electrófilo (la sal de diazonio) con el sustrato.
11. Proponga una síntesis para las siguientes aminas, a partir del material de partida señalado entre paréntesis y
reactivos inorgánicos y solventes de uso común en laboratorio (problema de integración de tópicos).
(a) ciclohexilamina (ciclohexano)
(b) 1-pentanamina (1-penteno)
(c) 1-octanamina (1-hepteno) (d) cloruro de benzalconio (busque por benzalkonium chloride, escoja uno de la mezcla y prepárelo a partir de
tolueno)
(c)
(b)(a)
OH
N
N NO2
N(CH3)2N
N SO3Na
NHO
N
HO2C