TEMA 20

1

Módulo 4. FUNCIONES NITROGENADAS.

Tema 20. AMINAS Y SALES DE DIAZONIOTema 20. AMINAS Y SALES DE DIAZONIO.- Estructura y clasificación.- Propiedades físicas.- Preparación.- Reactividad.- Basicidad. Formación de sales.- Alquilación.- Conversión en amidas.- Reacciones con ácido nitroso.- Oxidación.- Sustitución electrófila sobre aminas aromáticas.- Sales y bases de amonio cuaternario.- Eliminación de Hofmann.- Sales de diazonio.- Estructura.- Preparación.- Reacciones de desplazamiento, de reducción y de copulación.- Noción de colorantes azoicos.

TEMA 20. AMINAS Y SALES DE DIAZONIO

2

1. Introducción. Clasificación y estructura

2. Propiedades físicas

3. Preparación

4. Basicidad. Formación de sales

5. Alquilación

6. Conversión en amidas y sulfonamidas

7. Reacciones con ácido nitroso

8. Sustitución electrófila sobre aminas aromáticas

9. Oxidación

10. Eliminación de Hofmann

11. Sales de diazonio. Preparación y reacciones

12. Noción de colorantes azoicos

3

1. IntroducciónLas aminas son los derivados orgánicos del amoniaco, donde uno o más grupos alquilo o arilo están unidos al átomo de nitrógeno. Como clase, las aminas comprenden algunos de los compuestos biológicos más importantes que se conocen. Las aminas funcionan en los seres vivos como biorreguladores, neurotransmisores, mecanismos de defensa, etc. Debido a su alto grado de actividad biológica, muchas se utilizan como drogas y medicamentos.

4

1. Clasificación

Se pueden clasificar en: alquilaminas (tienen el nitrógeno unido a un carbono con hibridación sp3) y arilaminas (tienen el nitrógeno unido a un carbono con hibridación sp2).

De acuerdo con el grado de sustitución del nitrógeno, se clasifican en aminas primarias, secundarias y terciarias.

5

1. EstructuraEl átomo de nitrógeno de la molécula de amoniaco contiene un par de electrones no compartido. De forma que a molécula es tetraédrica ligeramente distorsionada. El par de electrones no enlazante ocupa una de las posiciones tetraédricas. El par de electrones no compartido del

N es el responsable de las propiedades básicas y nucleófilas características de estos compuestos.

Una amina con tres sustituyentes distintos no puede superponerse a su imagen especular. Pero en la mayoría de los casos no es posible la resolución de enantiómeros, ya que se interconvierten con rapidez. La interconversión se produce por lo que se denomina “inversión piramidal” del nitrógeno. Se ha demostrado que la barrera de energía a la interconversión del N es sólo de 6 kcal/mol. En cambio, las sales de amonio cuaternario con cuatro sustituyentes distintos no pueden interconvertirse y por tanto son ópticamente activas:

Interconversión de las aminas

Sales de amonio enantioméricas

sp2

6

Las aminas son muy polares. La propiedad más característica de las aminas es su olor a pescado descompuesto Las aminas primarias y secundarias pueden formar puentes de hidrógeno entre sí y con disolventes como el agua. Las aminas terciarias no pueden formar puentes de hidrógeno entre sí, aunque forman intermoleculares con disolventes alcohólicos y agua. El enlace de hidrógeno originado por las aminas no es tan fuerte como el análogo de oxígeno en los alcoholes. Las aminas primarias poseen puntos de ebullición intermedios entre los de los alcanos y los de los alcoholes de pesos moleculares comparables. Las aminas terciarias tienen puntos de ebullición más bajos que las primarias y secundarias de pesos moleculares comparables.

2. Propiedades físicas

Comp. CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)2OH CH3(CH2)2NH2 CH3CH2NHCH3 (CH3)3CH (CH3)2CHOH (CH3)2CHNH2 (CH3)3N

P.M. 58 60 59 59 58 60 59 59

p. eb. -0.5º C 97º C 48º C 37º C -12º C 82º C 34º C 3º C

7Tomado de: T.W.G. Solomons y C. B. Fryhle, Organic Chemistry, 8ª ed., Wiley, 2006.

Propiedades físicas de las aminas

Ir a D-16

8

3. Preparación3.1. Amonólisis de haluros de alquilo 3.2. Síntesis de Gabriel3.3. Reducción de otros compuestos nitrogenados

3.3.1. De nitrocompuestos3.3.2. De nitrilos, azidas y amidas3.3.3. De iminas (aminación reductiva)

3.4. Degradación o transposición de Hofmann

3.1. Amonólisis de haluros de alquilo (o alquilación directa de NH3 y aminas)

INCONVENIENTE: Se obtienen mezclas, pues la amina primaria es mejor nucleófilo que el amoníaco y compite con éste produciendo la amina secundaria, que todavía es mejor nucleófilo…

Es una reacción de sustitución nucleófila en la que el NH3 es el nucleófilo

9

• Se obtienen aminas primarias con buen rendimiento.• Se usa como nucleófilo sobre el R-X una forma “protegida” del NH3: la ftalimida potásica que se prepara a partir de amoniaco y ácido ftálico. Las imidas tienen propiedades ácidas (pKa= 9) ya que la carga negativa de la base conjugada se deslocaliza sobre dos grupos carbonilo.

3.2. Síntesis de Gabriel (o alquilación indirecta de NH3)

10

3.3. Reducción de otros compuestos nitrogenados

3.3.1. De nitrocompuestos

• Se emplea también para obtener aminas primarias. Se aplica más a las aromáticas ya que la nitración aromática es fácil. Los nitrocompuestos pueden reducirse de dos maneras:

• Por hidrogenación catalítica con hidrógeno molecular con catalizadores de Ni, Pd o Pt.

• Por reducción química con un metal y un ácido. El metal puede ser Sn granulado, Zn o Fe. En la solución ácida, la amina se obtiene en forma de sal, de la que se libera por adición de base.

Reacción general:

Ejemplo:

11

3.3.2. De azidas, nitrilos y amidas

• Esta reducción se hace con LiAlH4 o mediante hidrogenación catalítica.• La reducción de azidas y nitrilos, que a su vez se obtienen a partir de haluros de alquilo, origina aminas primarias.

• La reducción de amidas, que a su vez pueden obtenerse por amonólisis de cloruros de ácido, proporciona aminas primarias, secundarias o terciarias. El diborano en THF también se utiliza como agente reductor.

12

3.3.3. De iminas (aminación reductiva) Los aldehídos y cetonas reaccionan

con amoníaco, aminas primarias y

secundarias originando iminas o sales de

iminio que pueden reducirse a nuevas aminas primarias,

secundarias y terciarias, usando hidrogenación

catalítica o LiAlH4 o NaBH3CN

(cianoborohidruro de sodio).

Ejemplos:

13

3.4. Degradación o transposición de Hofmann

En presencia de una base fuerte, las amidas primarias reaccionan con Cl2 o Br2 formando aminas con un átomo de carbono menos que la amida de partida. Se usa esta reacción para sintetizar alquil y arilaminas primarias

Mecanismo:

Etapa 1. Desprotonación de la amida y sustitución de ese H por Br

14

Etapa 2. Desprotonación de la N-bromoamida que es más ácida que la amida, seguida de transposición de R al N deficiente, formándose un isocianato

Etapa 3. El isocianato reacciona rápidamente con agua dando un ácido carbámico que se descarboxila luego formando una amina primaria.

Etapa 4. La descarboxilación del ácido carbámico da una amina primaria.

15

Una amina puede comportarse como un nucleófilo o como una base de Lewis, o debido al par de electrones no enlazantes sobre el átomo de nitrógeno. Estudiaremos aquí su basicidad:

Aminas: Basicidad y nucleofilia

16

4. Basicidad. Formación de salesLas aminas son moderadamente básicas. Un menor valor de pKb indica una mayor basicidad.

Las alquilaminas son bases más fuertes que el amoniaco (efecto +I de los grupos alquilo).

pKb 4.74 3.36 3.25

Los grupos alquilo ejercen sobre el nitrógeno en las aminas dos efectos contrapuestos: por una parte estabilizan al catión amonio por efecto inductivo +I, pero por otra desestabilizan al catión amonio al impedir una buena solvatación. Como resultado, las aminas primarias, secundarias y terciarias muestran valores semejantes de basicidad.

17

Las arilaminas son bases mucho más débiles que el amoníaco y que las aminas alifáticas (esta disminución de la basicidad se debe a la deslocalización por resonancia de los electrones de no enlace de la amina):

Los sustituyentes en el anillo influyen en la basicidad de la anilina. Los sustituyentes donadores de electrones aumentan la basicidad mientras que los atractores de electrones la disminuyen.

R pKb orto

pKb meta

pKb para

H 9.4 9.4 9.4MeO 9.5 9.8 8.7NO2 14.3 11.5 13.0

18

Las aminas heterocíclicas aromáticas son menos básicas que las correspondientes no aromáticas. Los efectos de hibridación son importantes en la basicidad de estas aminas. Cuanto mayor es el carácter s de un orbital mayor es la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones.

Las amidas son menos básicas que las aminas debido a que el par de electrones del N en las amidas se deslocaliza en el átomo de oxígeno del grupo carbonilo

19

Formación de sales

Los ácidos minerales acuosos y los carboxílicos convierten las aminas en sus sales con facilidad, sales que se liberan fácilmente en medio básico:

20

Las aminas pueden reaccionar con los haluros de alquilo dando una amina superior del tipo siguiente en una reacción de sustitución nucleófila sobre el haluro de alquilo. La amina puede ser alifática o aromática, primaria, secundaria ó terciaria. En los haluros, R tiene que ser alquilo. El producto final es la sal de amonio cuaternario (metilación a fondo)

RXR2NH R3NR-NH2

RXR4NX

RX

5. Alquilación

6. Conversión en amidas y sulfonamidasLas aminas primarias y secundarias reaccionan con cloruros de ácido o anhídridos de ácido para dar amidas sustituidas.

La conversión de aminas aromáticas en amidas es una estrategia bastante empleada debido a que la amida es un grupo activante menos fuerte que el amino en la SAE y de esta manera puede moderarse la reactividad de la amina. La amida puede hidrolizarse de nuevo a la amina calentándola con ácido clorhídrico acuoso.

NH2

Anilina

O

O OHN

Acetanilida

O

21

Las amidas de los ácidos sulfónicos son las sulfonamidas. Las aminas primarias y secundarias reaccionan con cloruros de sulfonilo (cloruros de los ácidos sulfónicos) originando sulfonamidas (o sulfamidas, interés farmacológico).

Formación de sulfonamidas. Prueba de Hinsberg

Amina 1º

Amina 2º

22

Las reacciones de las aminas con ácido nitroso son especialmente útiles. Como el ácido nitroso es inestable, se genera in situ, mezclando nitrito sódico (NaNO2) con ácido clorhídrico diluido y frío.

En una disolución ácida, el ácido nitroso se protona y a continuación pierde agua para formar el catión nitrosonio +N=O, un electrófilo débil que reacciona con anillos aromáticos muy activados.

7. Reacciones con ácido nitroso

Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso para formar sales de diazonio. A este procedimiento se le llama diazotación de la amina. Las sales de diazonio aromáticas tienen una gran importancia en la síntesis de compuestos aromáticos (TEMA 3) Las sales de diazonio alifáticas son inestables y se descomponen rápidamente en N2 y carbocationes.

23

Mecanismo de formación de sales de diazonio:

Reacción de las aminas secundarias con ácido nitroso Las aminas secundarias reaccionan con el ácido nitroso para formar N-nitrosoaminas

24

El principal problema de la SAE sobre una amina es la polisustitución. Una forma de moderar la reactividad de la amina es convertirla en la correspondiente amida. El grupo acetamido (NHCOCH3) es también activante y orto y para-dirigente pero menos poderoso que el amino libre.

Los grupos NH2, NHR y NR2 son activantes poderosos de la sustitución aromática electrófila y orto y para-dirigentes. Pueden nitrosarse.

8. Sustitución electrófila sobre aminas aromáticas

Reacción de las aminas terciarias con ácido nitroso No reaccionan, no pueden llegar a formar la N-ntrosoamina pues no tiene ningún átomo de H sobre el nitógeno.Las aromáticas se nitrosan mediante una SAE.

9. OxidaciónLas aminas se oxidan con facilidad durante su almacenamiento cuando están en contacto con el aire. Las aminas terciarias se oxidan, con H2O2 o ácido m-cloroperbenzoico, a óxidos de amina con buenos rendimientos.

25

10. Eliminación de HofmannSe emplea para la obtención de alquenos a partir de aminas y para la determinación de estructuras de aminas. Consiste en:

1. Metilación exhaustiva de la amina formando la sal de amonio cuaternario

2. Transformación en el hidróxido de la sal por tratamiento con óxido de plata.

3. Calentamiento que provoca la eliminación, resultando el alqueno menos sustituido

26

.

Sólo el isómero cis es capaz de dar la eliminación

Mecanismo E2

.

Ejemplos:

27

Formación de diazoderivados

Los iones de arendiazonio son electrófilos débiles en reacciones SAE y reaccionan con anillos muy activados (como los derivados de anilina y del fenol).

Los productos tienen la estructura ArNNAr que contiene la unión –NN azo por lo que se llaman azocompuestos y a la reacción acoplamiento diazo.

11. Sales de diazonio. Preparación y reacciones

Ver TEMA 3 Sólo estudiaremos aquí su uso para la:

N N

Cl

Cl

H3C

2,4-Dicloro-1-(3'-metilfenilazo)benceno

Ejemplo:

28

12. Colorantes azoicos

Los azocompuestos forman un grupo de compuestos llamados colorantes azoicos que pueden actuar como tintes ya que se fijan en las fibras. En muchos casos a los anillos aromáticos se les introduce grupos polares como los sulfonatos para aumentar su solubilidad en agua. Esto permite su uso como indicadores ácido-base (naranja de metileno) ya que a distintos valores de pH las formas protonadas o desprotonadas de la molécula pueden dar lugar a diferentes colores.

Ejemplos: