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QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915)
BLOQUE TEMÁTICO VIICOMPUESTOS NITROGENADOS
Bloque Temático 7
Bloque Temático 7: compuestos nitrogenados
7.1. Aminas
7.2. Basicidad de las aminas
7.3. Nucleofília de las aminas
7.3.1. Alquilación de aminas
7.4. Síntesis controlada de aminas
7.4.1. Síntesis de aminas primarias mediante el emp leo del anión cianuro
7.4.3. Síntesis de aminas primarias mediante el emp leo del anión azida
7.4.2. Síntesis de aminas primarias mediante el emp leo del anión ftalimido
(Síntesis de Gabriel)
7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de elimina ción de Hofmann
7.6. Reacción de las aminas con ácido nitroso
7.6.1. Reacción de las aminas primarias con ácido nitro so
7.6.2. Reacción de las aminas secundarias con ácido nit roso
Bloque Temático 77.1. Aminas
Las aminas son compuestos orgánicos nitrogenados qu e proceden de la sustitución formal de los hidrógenos del amoníaco (NH 3) por grupos alquilo o arilo
NH
HH
Amoníaco
NHH3C
H
Metilamina
NHH3C
CH3
Dimetilamina
NH3C
H3CCH3
Trimetilamina107º 108º
(amina primaria) (amina secundaria) (amina terciaria)
Bloque Temático 77.1. Aminas
1) El átomo de nitrógeno de la molécula de amoníaco y de las aminas contiene un par electrónico libre.
2) La forma de las moléculas de amoníaco y de las am inas, considerando en ellas al par de electrones no enlazantes, es tetraédrica lig eramente distorsionada.
3) El par de electrones no enlazantes ocupa una de la s posiciones tetraédricas. 4) El ángulo del enlace H-N-H del amoníaco es de 107 °°°°, lo que se explica admitiendo
una hibridación sp3 en el átomo de nitrógeno. 5) El par electrónico libre del amoníaco provoca una compresión del ángulo que
forman entre sí los orbitales híbridos sp3, reduciéndolo de 109 °°°° a 107°°°° grados.6) En las aminas, como la trimetilamina, el ángulo del enlace C-N-C no está tan
comprimido como en el amoniaco porque los grupos al quilo, más voluminososque los átomos de hidrógeno, abren ligeramente el á ngulo (108º en el caso de la trimetilamina).
NH
HH
Amoníaco
NH3C
H3CCH3
Trimetilamina107º 108º
CH
HH
H
109ºMetano
Ángulos de enlace en las moléculas de metano, amoníaco y trim etilamina
Bloque Temático 77.1. Aminas
1) Las aminas son muy polares porque el momento dipo lar del par aislado de electrones se suma a los momentos dipolares de los e nlaces C-N y H-N.
2) Las aminas primarias y secundarias tienen enlaces N-H que les permiten formar puentes de hidrógeno.
3) Las aminas terciarias, como no tienen enlace N-H, no pueden formar este tipo de enlaces intermoleculares. Sin embargo, pueden acept ar puentes de hidrógeno con moléculas que tengan enlaces O-H ó N-H.
NH
H3CCH3
Dimetilamina
Momentodipolargeneral
Aminas primarias:aceptoras y donadoras de
puentes de hidrógeno
N
CH3
CH3
CH3O
HH
Aminas terciarias:sólo aceptoras de
puente de hidrógeno
N
CH3
H
HN
HH3CH
Aminas secundarias:aceptoras y donadoras de
puentes de hidrógeno
N
CH3
CH3
HN
HH3C
H3C
Bloque Temático 77.1. Aminas
N
H3C
H3C
H3C
N
CH3CH2
CH3
H
O
CH3CH2CH2
H
Comparación de los puntos de ebullición de aminas y alcohole s
Nombre Trimetilamina Metil etil amina
Tipo Amina terciaria Amina secundaria
P. ebullición (ºC)
60595959
De izquierda a derecha (en estructuras de las aminas):Disminuye el grado de sustitución de las aminasAumenta el número de enlaces N-HAumenta la posibilidad de formación de puentes de hidrógenoAumenta el punto de ebullición
N
CH3CH2CH2
H
H
Propilamina
Amina primaria Alcohol
Peso molecular
3 37 48 97
Propan-1-ol
1) Las aminas forman puentes de hidrógeno más débile s que los alcoholes de pesos moleculares semejantes , porque el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno y el enlace N-H está menos polarizado que el enlace O-H.
2) Las aminas terciarias no pueden formar puentes de hidrógeno y, por tanto, tienen puntos de ebullición más bajos que los de las aminas prima rias o secundarias de pesos moleculares semejantes.
Bloque Temático 77.2. Basicidad de las aminas
Una amina puede actuar como base de Brönsted-Lowry a ceptando el protón de un ácido
R NH
HH O
Reacción básica de una amina
R N
H
H
H OH Kb =Kb
H
RNH3 OH
RNH2
1) Los valores de p Kb para la mayoría de las aminas están entre 3-5.2) El equilibrio de la reacción de protonación se en cuentra desplazado hacia la izquierda.3) Cualquier característica estructural y/o electró nica que estabilice al catión alquilamonio, en relación con la amina libre, desplazará el equili brio de la reacción hacia la derecha, haciendo que la amina sea una base más fuerte.
Energía
Progreso de la reacción
RNH2 + H2O
RNH3 + OH
Bloque Temático 77.2. Basicidad de las aminas
Nombre DimetilaminaMetilamina
Tipo Amina secundariaAmina primaria
Trimetilamina
Amina terciaria
NH3 CH3NH2 (CH3)2NH
4.74
(CH3)3N
Orden de basicidad de aminas en agua
pK b 3.35 3.294.26
Amoníaco
De izquierda a derecha:Aumenta la fuerza básica
1) Las alquilaminas son bases más fuertes que el amon íaco.2) Esta diferencia de basicidad se explica por el ef ecto inductivo electrón-dador (+I) de los
grupos alquilo, que ayudan a estabilizar la carga p ositiva del nitrógeno en el catión alquilamonio, lo que provoca una disminución de la energía potencial de esta especie y desplaza el equilibrio hacia la derecha .
3) Según el anterior razonamiento se debería esperar este orden de basicidad en agua:amina primaria < amina secundaria < amina terciaria
4) La situación real es más complicada debido a la solvatación . Los iones amonio tienen carga positiva y están fuertemente solvatados por el agua, contribuyendo la solvatación a aumentar su estabilidad.
5) Si el átomo de nitrógeno en el catión amonio pre senta muchos grupos alquilo, caso de las aminas terciarias como la trimetilamina, la solvata ción se ve dificultada porque las moléculas de agua no se pueden acercar al átomo de nitrógeno que porta la carga positiva, lo que resulta en una menor estabilizació n del catión trialquilamonio.
Bloque Temático 77.3. Nucleofília de las aminas
1) El par electrónico libre de las aminas es el resp onsable de su carácter básico y también de su carácter nucleofílico.
2) Las aminas son buenos nucleófilos y participan en reacciones S N2.
R´ XR NH2SN2
+
Reacción de aminas como nucleófilos en procesos S N2
NR
H
R´ + HX
3) La nucleofília de las aminas alifáticas aumenta c on su grado se sustitución debido al efecto inductivo electrón-dador (+I) de l as cadenas alifáticas unidas al átomo de nitrógeno.
NR
H
R´
Amina primaria Amina secundaria
NR
R`´
R´
Amina terciaria
Orden de nucleofília de aminas alifáticas
Menos nucleofílica Más nucleofílica
NR
H
H
Bloque Temático 77.3.1. Alquilación de aminas
1) Las aminas reaccionan con haluros de alquilo para dar productos de N-alquilación. Sin embargo, la reacción de las aminas con haluros de alquilo se ve seriamente limitada ante la dificultad que entraña detener la reacción en la etapa de monoalquilación.
2) Incluso agregando un sólo equivalente del haloge nuro de alquilo, algunas aminas reaccionan una, dos y hasta tres veces, produciendo mezclas de productos de mono-, di- e incluso trialquilación.
H3C BrH3C NH2 H3C N CH3 Br
Metilamina(amina primaria) Bromuro de
tetrametilamonio
CH3
CH3
H3C N CH3
Dimetilamina
H+ H3C N CH3
CH3
Trimetilamina
+
Formación de mezclas de productos de mono-, di- y trialquila ción
3) El problema con las reacciones de N-alquilación de aminas es que la amina que se genera es más nucleofílica que la amina progenitora. Por ejemplo, en la metilaciónde la metilamina se forma dimetilamina, que es más n ucleofílica (más reactiva) que la metilamina al estar más sustituida. La dimetilami na compite con la metilamina y reacciona con el bromuro de metilo, formando trimet ilamina. Esta amina es más nucleofílica (más reactiva) que la dimetilamina y rea cciona con el bromuro de metilo formando bromuro de tetrametilamonio.
Bloque Temático 77.3.1. Alquilación de aminas
Bromuro detrimetilamonioH3C Br
SN2
H3C N CH3 Br
H
H
+ CH3NH2 H3C N CH3
H+ CH3NH3 Br
Dimetilamina(amina secundaria)
H3C N CH3
H
H3C N CH3
H
CH3
Br+
H3C N CH3
H
CH3
Br + CH3NH2H3C N CH3
CH3
+ CH3NH3 Br
Trimetilamina(amina terciaria)
Bromuro detretrametilamonio
H3C Br SN2H3C N CH3
CH3
H3C N CH3
CH3
CH3
Br+
Reacciones de polialquilación de aminas
1)
2)
3)
4)
H3C BrH3C NH2SN2
H3C N CH3 BrMetilamina
(amina primaria)
+Bromuro de
metilo
Bromuro dedimetilamonio
H
H
5)
Bloque Temático 77.4. Síntesis controlada de aminas
Para evitar las alquilaciones múltiples que se produ cen en la reacción de las aminas con halogenuros de alquilo se emplean métodos alterna tivos que emplean nucleófilos incapaces de provocar polialquilaciones, como el anión cianuro, el anión azida o el anión ftalimido.
N C
Anión cianuro
N N N
Anión azida
N
O
O
Anión ftalimido
Reactivos para la síntesis controlada de aminas primarias
Bloque Temático 77.4.1. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión cianuro
Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del ani ón cianuro
1) El anión cianuro es un buen nucleófilo. La reacción SN2 de un cianuro metálico, por ejemplo cianuro sódico, con un halogen uro de alquilo proporciona el correspondiente cianuro de alquilo.
2) La hidrogenación del triple enlace C-N en el cianuro de alquilo, proporciona la amina.
N CNa + CH3CH2CH2 Br
Cianuro sódico 1-Bromopropano
SN2CH3CH2CH2 C N + NaBr
Cianuro de propilo
1) Formación de un cianuro de alquilo mediante reacción S N2 del anióncianuro sobre un haluro de alquilo:
2) Hidrogenación de la función nitrilo y formación de la amin a primaria:
CH3CH2CH2 C N
Cianuro de propilo+ 2 H2
CatalizadorCH3CH2CH2 CH2NH2
Butilamina
Bloque Temático 77.4.1. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión azida
Na + CH3CH2CH2 N
Azida sódica
SN2+ NaBr
Azida de propilo
1) Formación de una azida alquilo mediante reacción S N2 del anión azida sobreun haluro de alquilo:
2) Reducción de la función azida y formación de la amina prima ria:
CH3CH2CH2 NH2
Propilamina
N N N N NCH3CH2CH2 Br
CH3CH2CH2 N
Azida de propilo
N NLiAlH 4
Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del ani ón azida
1) El anión azida es un buen nucleófilo. La reacción S N2 de una azida metálica, por ejemplo azida sódica, con un halogenuro de alquilo pr oporciona la correspondiente azida de alquilo.
2) La reducción de la función azida proporciona la ami na.
Bloque Temático 77.4.3. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido
Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del ani ón ftalimido(Síntesis de Gabriel)
1) El anión ftalimido es un buen nucleófilo. Esta espec ie se genera a partir de la ftalimida mediante reacción con KOH o NaOH.
2) La reacción S N2 del anión ftalimido con un halogenuro de alquilo pro porciona la correspondiente ftalimida de alquilo.
3) La hidrólisis básica de la ftalimida de alquilo pro porciona la amina (véase la siguiente hoja)
Bloque Temático 77.4.3. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido
Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del ani ón ftalimido(Síntesis de Gabriel)
1) Generación del anión ftalimido mediante ionización de la ftalimida con KOH:
CH3CH2CH2 Br
NH
O
O
N
O
OFtalimida
+ KOH K + H2O
Ftalimida potásica
2) Reacción S N2 del anión ftalimido sobre un haluro de alquilo:
N
O
O
KSN2
CH3CH2CH2 N
O
O
+ KBr
N-propilftalimida
3) Hidrólisis básica de la N-alquilftalimida:
CH3CH2CH2 N
O
O
+ 2 NaOH CH3CH2CH2 NH2O
O
OPropilamina
O
Na
Na
Ftalato sódico
+
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
H
NR3
HO
Reacción de eliminación de Hofmann
H2O + + R3N
Hidróxido de tetraalquilamonioAgua Alqueno Trialquilamina
Eliminacion de Hofmann : reacción de eliminación E2 que tiene lugar cuando se calientan los hidróxidos de tetraalquilamonio.
1) La eliminación de Hofmann forma un alqueno, junto c on agua y una trialquilamina, que actúa como grupo saliente.
2) Usualmente el proceso de eliminación Hofmann se llev a a cabo en tres etapas:
a) En la primera etapa la amina se convierte en un yo duro de tetraalquilamonio por reacción con yoduro de metilo.
b) En la segunda etapa el yoduro de tetraalquilamonio s e convierte en hidróxido de tetraalquilamonio por reacción con óxido de plata húme do.
c) En la tercera etapa el hidróxido de tetraalquilam onio se somete al proceso de eliminación E2 mediante calentamiento.
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
CH3CH2 NH2 + 3 H3C I CH3CH2 N(CH3)3 I + 2 H I
Etilamina Yoduro de metilo Yoduro de etiltr imetil amonio
Proceso de eliminación de Hofmann
1) Alquilación a fondo de la amina (por ejemplo etilamina) co n yoduro de metilo yconversión en yoduro de tetraalquilamonio (yoduro de etilt r imetilamonio):
2) Conversión del yoduro de etiltrimetilamonio en hidróxid o de etilltrimetilamoniomediante reacción con óxido de plata húmedo:
SN2
CH3CH2 N(CH3)3 I + 1/2 Ag2O + 1/2 H2O
Yoduro de etiltrimetil amonio
CH3CH2 N(CH3)3 OH + AgI
Hidróxido de etiltrimetil amonio
3) Calentamiento del hidróxido de etiltrimetilamonio y for mación del alqueno mediantereacción de eliminación E2:
CH3CH2 N(CH3)3
Hidróxido de etiltrimetil amonio
OHcalor
H H
H
N(CH3)3
H H
HO
H H
H H+ H2O + (CH3)3N
Etileno
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
H3C CH2 CH CH3
N(CH3)3 HO150ºC H3C CH2 CH CH2
1-Buteno (95%)
+ H3C CH CH CH3
2-Buteno (5%)
Reacciones de eliminación en hidróxidos de tetraalquilamo nio y en haluros de alquilo
H3C CH2 CH CH3
ClNaOMe, MeOH
H3C CH2 CH CH2 H3C CH CH CH3
1-Buteno (33%) 2-Buteno (67%)
Regla de Hofmann
Regla de Saytzeff
Las eliminaciones E2 en halogenuros de alquilo siguen, por l o general, la reglade Saytzeff, formándose mayoritariamente el alqueno más es table, que es el más
sustituido
Las eliminaciones E2 en hidróxidos de tetraalquilamonio si guen, por lo general,la regla de Hofmann, formándose mayoritariamente el alquen o menos estable,
que es el menos sustituido
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
En las reacciones de eliminación E2 de halogenuros de alquilo el enlace C-H se estárompiendo de forma sincrónica con el enlace C-X, de forma que el estado de transición desarrolla un notable carácter de doble enlace, fav oreciéndose el estado de transición más estable, que es aquél en el que se está formando el doble enlace más sustituido.
C C
H
H H
CH2CH3H
Cl
MeO
C C
H
HH
CH2CH3
H
Cl
MeOδ
δ
Estado de transición menos estable:carácter de enlace doble monosustituido
H2C CH-CH2-CH3
1-Buteno (33%)
Formación del alqueno minoritario en la reacción de elimina ción Zaytzeff
C C
H
H3CH
CH3H
Cl
MeO
C C
H
H3CH
CH3
H
Cl
MeOδ
δ
Estado de transición más estable:carácter de enlace doble disustituido
H3C-CH CH-CH3
2-Buteno (67%)
Formación del alqueno mayoritario en la reacción de elimina ción Zaytzeff
2-Clorobutano
2-Clorobutano
1
2
3 41 2
3 4
1
1
3 2
2
3
4
4
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
1) En el estado de transición de las reacciones de eliminación E2 de hidróxidos de tetraalquilamonio el enlace C-H se está rompiendo más que el enlace C-N, porque el grupo trimetilamina es peor grupo saliente que los aniones haluro (cloruro, bromuro o yoduro).2) El estado de transición no desarrolla un elevado carácter de doble enlace, eliminándose preferentemente los átomos de hidrógeno más ácidos, que son los que se encuentran sobre el átomo de carbono ββββ menos sustituido.
C C
H
H H
CH2CH3H
N(CH3)3
C C
H
HH
CH2CH3H
N(CH3)3
HOδ
δ
Estado de transición más estable:captura del protón más ácido
H2C CH-CH2-CH3
1-Buteno (95%)
Formación del alqueno mayoritario en la reacción de elimina ción Hofmann
C C
H
H3CH
CH3H
N(CH3)3
C C
H
H3CH
CH3H
N(CH3)3
HOδ
δ
Estado de transición menos estable:captura del protón menos ácido
H3C-CH CH-CH3
2-Buteno (5%)
Formación del alqueno minoritario en la reacción de elimina ción Hofmann
HO
HO
12
3 4
123
4
123
4
1 23 4
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
1) Otro factor que explica la regioselectividad en l as reacciones de eliminación de Hofmann es el gran volumen estérico del grupo saliente (una trialquilamina).
2) El mecanismo de eliminación E2 implica una dispo sición anticoplanar entre el grupo saliente y el protón que captura la base.
3) La reacción de eliminación en el hidróxido de tr imetil 2-butilamonio forma mayoritariamente el 1-buteno, porque el estado de t ransición que conduce a este alqueno no presenta interacciones estéricas desestabilizante s (véase el esquema dibujado en la siguiente hoja).
4) La reacción de eliminación en el hidróxido de tr imetil 2-butilamonio forma minoritariamente el 2-buteno, porque el estado de transición que conduce a este alqueno presenta interacciones estéricas desestabili zantes entre el grupo trimetilamino y el grupo metilo en C4 (véase el esqu ema dibujado en la siguiente hoja).
Bloque Temático 77.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann
C C
H
H3CH
CH3H
N(CH3)3
Formación del alqueno más sustituido (minoritario) en la re acción de eliminación Hofmann
HO123
4
3
1
H
H
CH34
N
H3C H
H3C
CH3
CH3
HO
H CH3
H3C HH2O + + (CH3)3N
2-buteno (5%)
Interacción estéricadesestabilizante
C C
H
H H
HCH2CH3
N(CH3)3
Formación del alqueno menos sustituido (mayoritario) en la reacción de eliminación Hofmann
HO
2
3 4
1
3 4
H
H
H1
N
H CH2CH3
H3C
CH3
CH3
HO
H H
H CH2CH3H2O + + (CH3)3N
1-buteno (95%)
Bloque Temático 77.6. Reacción de las aminas con ácido nitroso
1) El ácido nitroso (HNO 2) no es estable. Se genera in situ mediante reacción de nitrito sódico (NaNO 2) con ácidos fuertes como HCl o H 2SO4.
O N ONa + HCl Na + Cl + O N OH
Nitrito sódico Ácido nitroso
Generación de ácido nitroso
2) La productos que se forman en la reacción de las am inas con el ácido nitrosodependen del grado de sustitución de aquéllas.
R NH2 + NaNO2 + 2 HCl N NR + 2 H2O + NaCl
Amina primaria Nitrito sódico Sal de alquildiazonio
Cl
R N + NaNO2 + HCl
Amina secundariaR´
H
Nitrito sódico
R N
R´
N O
N-nitrosoamina
+ H2O + NaCl
R N + NaNO2 + HCl
Amina terciariaR´
R´´
Nitrito sódico
No reacciona
Bloque Temático 77.6.1. Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso
Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso for mando sales de alquildiazonio:
El mecanismo de la reacción es el siguiente:
R NH2 + NaNO2 + 2 HCl N NR + 2 H2O + NaClAmina primaria Nitrito sódico Cloruro de alquildiazonio
Cl
R NH2
O N ONa + HCl Na + Cl + O N OH1)
O N OH + HCl2) O N OH
H
Cl H2O + Cl +
Catión nitrosonio
3) R N
H
H
N O R N
H
N O H
4)
R N
H
N O H
R N
H
N O H R N N O H
H
R N N + H2O
Catión alquildiazonio
N O
N O+
Bloque Temático 77.6.1. Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso
1) La fuerza impulsora de la reacción anterior es la formación de N 2, que es una molécula muy estable.
2) Los carbocationes que se generan en estos procesos tienden a disminuir su energía reaccionando con nucleófilos para dar produc tos de sustitución, reaccionando con bases para dar lugar a olefinas, o experimentando reacciones de transposición.
3) Debido a la competencia que se establece entre la s vías de reacción del carbocatión, por lo general, las sales de alquildia zonio se descomponen para dar mezclas de productos.
R N N
Catión alquildiazonio
R N N+
Las sales de aalquildiazonio son inestables y se des componen rápidamente generando nitrógeno y especies carbocatiónicas
Bloque Temático 77.6.2. Reacción de las aminas secundarias con ácido nitroso
Las aminas secundarias reaccionan con el ácido nitroso f ormando N-nitrosoaminas:
El mecanismo de la reacción es el siguiente:
R NH
O N ONa + HCl Na + Cl + O N OH1)
O N OH + HCl2) O N OH
H
Cl H2O + Cl +Catión nitrosonio
3) R N
H
R´
N O
N O
N O+R´
R N
R´
N O + H
N-nitrosoamina
R N + NaNO2 + HCl
Amina secundariaR´
H
Nitrito sódico
R N
R´
N O
N-nitrosoamina
+ H2O + NaCl