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


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


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


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


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


> 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


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.


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


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.


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

09 aminas 2012

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