tema 13.- aminas

TEMA 13

AMINAS

1.- INTRODUCCIÓN

El átomo de nitrógeno está presente en muchas sustancias de interés biológico e industrial: aminas, aminoácidos, amidas, proteínas, vitaminas, etc.

Las aminas pueden entenderse como derivados del amoniaco

amoniaco amina primaria amina secundaria amina terciaria amonio cuaternario

Se clasifican según el número de radicales alquilo o arilo unidos al átomos de nitrógeno

Origen Familia 1º 2º 3º 4º

H2O Alcoholes CH3CH2OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH No existe

NH3 Aminas CH3CH2NH2 (CH3)2NH (CH3)3N

Sal de amonio

¡Ojo! No confundir con los alcoholes

2.- NOMENCLATURA

IUPAC: el sustituyente más largo da nombre al compuesto

Chemical Abstract: el sufijo amina se une a la cadena principal

Nombre común: los sustituyentes se nombran en orden alfabético

Propilamina

Ciclohexilamina

Dietilamina

1,3-propano diamina

N-metil-2- propilamina

N,N-dimetil-2- propilamina

2-aminoetanol

Ácido 2-(N-metilamino) propanoico

Pirrolidina

Piperidina

Piperazina

Morfolina

3.- ESPECTROSCOPÍA

•IR -NH una banda -NH2 dos bandas Absorbancia(cm-1) Interpretation

3500 - 3100 NH tensión

1350 - 1000 C-N tensiónbutilamina

•1H NMR - N es menos electronegativo que O por tanto desplaza menos la señal.

Resonancia (ppm) Interpretación

 0.5 - 5.0 -NH proton

1.5 - 3.0  CH2-NR2

•13C NMR C-N típicamente 35 - 50 ppm

•Espectrometría de masasUn átomo de nitrógeno produce una masa molecular imparComo el N es un buen estabilizador de carga positiva, es habitual la rotura en .

4.- PROPIEDADES FÍSICAS

La naturaleza polar del enlace N-H provoca la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de las aminas

Implicaciones:

- Altos puntos de fusión y ebullición comparados con los alcanos

- Alta solubilidad en medio acuoso

Compuesto P.eb. P.f. Compuesto P.eb. P.f.

CH3CH2CH3 -42º -188º (CH3)3N 3º -117º

CH3CH2CH2NH2 48º -83º (CH3CH2CH2)2NH 110º -40º

CH3CH2CH2OH 97º -126º (CH3CH2CH2)3N 155º -94º

Las aminas son piramidales y el nitrógeno posee hibridación sp3

Se produce inversión espontánea de la configuración de las aminas. Consecuencia: racemización

En las aminas impedidas y en las sales de amonio cuaternario el átomo de carbono puede mantener su configuración y, en consecuencia, constituirse en centro estereogénico

5.- PROPIEDADES ÁCIDO-BASE DE LAS AMINAS

Las aminas muestras un comportamiento moderadamente básico

Para comparar la basicidad se usa el pKa del ácido conjugado correspondiente. No olvidar que pKa+pKb=pKw

R-NH3+  pKa~ 10, R-OH2

+  pKa~ -3

Las aminas son más básicas que los alcoholes

Compuesto                               NH3         

pKa 11.0 10.7 10.7 9.3 5.2 4.6 1.0 0.0

Las alquilaminas son más básicas que el amoniaco

Las aminas aromáticas son menos básicas que el amoniaco

En las aminas aromáticas se produce la deslocalización del par de electrones del nitrógeno por resonancia con los electrones π del anillo

La presencia de grupos desactivantes en el anillo (-C≡N ; -NO2) disminuye el carácter básico de la amina aromática porque favorecen la deslocalización de los electrones del N

Las aminas se comportan como ácidos muy débiles, en todo caso son más fuertes que sus correspondientes alcanos (pKa = 50)

El ión amiduro formado es más estable que el carbocatión que formarían los alcanos

Compuesto                                                C6H5SO2NH2            

pKa 33 27 19 15 10 9.6

Los mismos factores que disminuyen la basicidad de las aminas aumentan su acidez

Para convertir estas sustancias en sus bases conjugadas es necesario hacerlos reaccionar con bases fuertes.

C6H5SO2NH2   +   KOH              C6H5SO2NH(–) K(+)   +   H2O

(CH3)3COH   +   NaH              (CH3)3CO(–) Na(+)   +   H2

(C2H5)2NH   +   C4H9Li              (C2H5)2N(–) Li(+)   +   C4H10

Las sales de amonio son más ácidas que las aminas

6.- PREPARACIÓN DE AMINAS

6.1.- ALQUILACIÓN DE AMONIACO O AMINAS CON HALUROS DE ALQUILO

La reacción es una sustitución nucleofílica que produce mezclas porque la amina producida es, a su vez, un nucleófilo que participa en el proceso

Etapa 1: El N nucleofílico del amoniaco ataca al C del haluro de alquilo desplazando al bromo y creando un nuevo enlace C-N

Etapa 2: Reacción ácido/base. La base (amoniaco en exceso) desprotona el nitrógeno positivo (amonio) creando un producto alquilado, amina primaria.

Mecanismo alquilación amoniaco

Mecanismo alquilación amina

Etapa 1: El N nucleofílico de la amina ataca al carbono C del haluro de alquilo desplazando el bromo y creando un nuevo enlace C-N

Etapa 2: Reacción ácido-base. La base (amina en exceso) desprotona el N positivo (amonio) creando un producto alquilado, una amina secundaria

La reacción puede tener lugar intramolecularmente

6.2.- ALQUILACIÓN DE FTALIMIDA. SÍNTESIS DE GABRIEL

Obtención de la ftalimida

Mecanismo de la síntesis de Gabriel

Etapa 1: Reacción ácido-base. Desprotonation del grupo N-H por la base hidróxido. Este protón es el más ácido que el de una simple amina debido a la estabilización por resonancia debida a los grupos C=O adyacentes. Esto genera un nucleófilo fuerte

Etapa 2: El N nucleofílico ataca el C del haluro de alquilo desplazando el bromo y creando un nuevo enlace C-N. Este producto puede ser comparado con una N-alquil amida.

Etapa 3: La imida puede ser rota por un mecanismo análogo al de las amidas. La hidrólisis crea el ácido dicarboxílico y la amina.

6.3.- REDUCCIÓN DE AZIDAS, NITRILOS, NITROCOMPUESTOS Y AMIDAS

El nitrógeno de las aminas está en un estado de

oxidación muy bajo. Por tanto, las aminas pueden

obtenerse por reducción de otras funciones nitrogenadas

más oxidadas.

Tipo compuesto Estado oxidación

R3N (aminas)R4N(+) (amonio)C=N–R (iminas)C≡N (nitrilos)

-3

R2N–NR2 (hidrazinas)C=N–NR2 (hydrazonas)

-2

RN=NR (azocompuestos.)R2NOH (hydroxilamina)R3NO (amina oxido)

-1

N2 (nitrógeno)R–N2

(+) (diazonio)0

R–N=O (nitroso) +1R-NO2 (nitro)RO–N=O (nitrito ester)

+3

Los grupos azida y cianuro son precursores del grupo amino. La reducción de ambos grupos con hidruro de aluminio y litio o con hidrógeno/Pd lo genera

Las azidas o los nitrilos pueden ser obtenidos a partir de haluros de alquilo mediante sustitución nucleofílica usando como reactivos N3- o CN-

Los nitrocompuestos son reducidos con Fe o Sn en medio ácido. Es el método más usado para obtener anilinas.

Reducción de amidas

El grupo C=O es convertido en -CH2- por LiAlH4 pero no el menos reactivo NaBH4

Esta reacción es diferente a la que se produce en otros compuestos con C=O en los que el grupo es reducido hasta alcohol (por ejemplo los ésteres)

La naturaleza de la amina obtenida depende de los sustituyentes de la amida

Etapa 1: El H nucleofílico del hidruro se adiciona al carbono electrofílico del grupo carbonilo. Los electrones del grupo C=O se desplazan hacia el O electronegativo creando un complejo metal alcóxido

Mecanismo de la reducción de amidas

Etapa 2: El intermedio tetraédrico colapsa y desplaza el oxígeno como parte de un grupo metal alcóxido saliente. Esto produce un ión imonio altamente reactivo

Etapa 3:  El H nucleofílico del hidruro se adiciona (reducción rápida) al C electrofílico del sistema iminio. Los electrones π electrons de C=N se desplazan al N catiónico neutralizando la carga y creando la amina

6.4.- AMINACIÓN REDUCTIVA DE ALDEHIDOS Y CETONAS (VIA IMINAS)

El amoníaco y las aminas son nucleófilos que pueden atacar a aldehídos y cetonas. Si en el medio de reacción se introduce un reductor, la imina intermedia puede reducirse, obteniéndose una nueva amina

Etapa 1.- buffer ácido

Etapa 2.- hidrogenación catalítica

La etapa de hidrogenación se puede realizar con cianoborohidruro de sodio

6.5.- TRANSPOSICIÓN DE HOFMANN

Ex NitrogenReactant

CarbonReactant

1st ReactionType Initial Product 2nd Reaction

Conditions2nd ReactionType Final Product

1. N3(–)

RCH2-X or R2CH-X

SN2RCH2-N3 or

R2CH-N3

LiAlH4 or4 H2 & Pd Hydrogenolysis

RCH2-NH2 orR2CH-NH2

2. C6H5SO2NH(–)RCH2-X or

R2CH-XSN2

RCH2-NHSO2C6H5 orR2CH-NHSO2C6H5

Na in NH3 (liq) HydrogenolysisRCH2-NH2 or

R2CH-NH2

3. CN(–)RCH2-X or

R2CH-XSN2

RCH2-CN orR2CH-CN

LiAlH4 ReductionRCH2-CH2NH2 or

R2CH-CH2NH2

4. NH3RCH=O or

R2C=OAddition /

EliminationRCH=NH or

R2C=NHH2 & Ni

or NaBH3CN ReductionRCH2-NH2 or

R2CH-NH2

5. NH3 RCOX Addition /Elimination

RCO-NH2 LiAlH4 Reduction RCH2-NH2

6. NH2CONH2

(urea)R3C(+) SN1 R3C-NHCONH2 NaOH soln. Hydrolysis R3C-NH2

PREPARACIÓN DE AMINAS PRIMARIAS (RESUMEN)

PREPARACIÓN DE AMINAS PRIMARIAS (EJEMPLOS)

PREPARACIÓN DE AMINA SECUNDARIAS Y TERCIARIAS (EJEMPLOS)

7.- REACCIONES DE LAS AMINASDENSIDADES ELECTRÓNICAS EN LA METILAMINA

El N de la amina es una zona de alta densidad electrónica debido a su par de electrones no compartidos

El N de la amina es una base Lewis

Las aminas pueden reaccionar como bases o nucleófilos

Los H del grupo amino tienen baja densidad electrónica El grupo –NH es mal grupo

saliente. Previamente necesita reconvertirse

Las reacciones más importantes de las aminas (nucleófilos) se producen con electrófilos:

-Sustitución nucleofílica con los haluros de alquilo

- Adición nucleofílica con aldehidos y cetonas

- Sustitución nucleofílica acílica con derivados de ácidos carboxílicos

7.1.- ALQUILACIÓN DE AMINAS

Etapa 1: El N nucleofílico de la amina ataca al carbono C del haluro de alquilo desplazando el bromo y creando un nuevo enlace C-N

Etapa 2: Reacción ácido-base. La base (amina en exceso) desprotona el N positivo (amonio) creando un producto alquilado, una amina secundaria

7.2.- REACCIÓN DE AMINAS PRIMARIAS CON ALDEHIDOS Y CETONAS

La catálisis ácida produce la protonación de algunas moléculas de cetona, aumentando la electrofilia del carbono carbonílico.

Se produce entonces la adición nucleófila del nitrógeno amínico sobre el carbono carbonílico, que cambia de hibridación sp2 a sp3.

El intermedio tetraédrico protonado cede un protón a la amina que aun no ha reaccionado, produciendose un aminoalcohol geminal (ambas funciones sobre el

mismo carbono) de alta estabilidad.

Parte de las moléculas de aminoalcohol sufren protonación en el OH, que es otro centro básico, dando lugar a un intermedio con un buen grupo saliente: el agua.

El enlace C-O debilitado por la protonación se rompe heterolíticamente, produciéndose la eliminación de agua y dando lugar a una sal de

imonio intermedia. El carbono vuelve a recuperar la hibridación sp2.

La amina en exceso desprotona la sal de imonio, obteniendose así la imina final.

El mecanismo de formación de la imina por ataque de una amina a una cetona se denomina de adición nucleófila-eliminación.

La reacción no es termodinámicamente favorable en muchos casos, así que hay que desplazar los equilibrios retirando el agua mediante algún

agente desecante (tamiz molecular) o de un aparato Dean-Stark.

7.3.- PREPARACIÓN DE AMIDAS

Sustitución nucleofílica acílica

7.4.- ELIMINACIÓN DE HOFMANN

Las sales de amonio cuaternario sufren eliminación E2 cuando son calentadas con Ag2O disuelto en agua

Las aminas se convierten en ioduro de amonio cuaternario cuando son tratadas con exceso de ioduro de metilo

El calentamiento del hidróxido promueve una 1-2 eliminación dando lugar a un alqueno y una amina

La regioselectividad es Hofmann. El alqueno mayoritario es el menos sustituido

Mecanismo de la eliminación de HOFMANN

La etapa inicial es un ejemplo de la alquilación de una amina con ioduro de metilo. La eliminación tiene lugar cuando se calienta, entonces el hidróxido ataca el protón más accesible, se forma el enlace π del alqueno C=C y el grupo saliente, un grupo amino neutro, se desprende

7.5.- SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA

Para evitar la polisustitución se protege el grupo amino convirtiéndolo en amido

7.6.- NITROSACIÓN DE AMINAS

Se denomina nitrosación a la reacción de las aminas con el ácido nitroso. Dependiendo del tipo de amina, la reacción da lugar a un tipo u otro de producto

El ácido nitroso se descompone en medio ácido, dando lugar al

catión nitrosilo, fuertemente electrófilo.

Dependiendo de si la amina es primaria, secundaria o terciaria, la sal de N-nitrosoamonio evoluciona de manera diferente.

Aminas primarias y aminas aromáticas

1°-Aminas + HONO (solución ácida fría)         

Nitrogeno Gas Evolucion desde una solución clara

Las sales de diazonio aromáticas, derivadas de anilinas, son más estables y pueden reaccionar de forma controlada con una

gran cantidad de nucleófilos.

Se consigue así la sustitución formal del grupo NH2 por una gran variedad de grupos funcionales:

Nu-

Nu-

H2O

HBF4

KI

H3PO2

CuX (Cl, Br ó CN)

(X=Cl, Br ó CN)

Aminas secundarias

La presencia de un sólo hidrógeno sobre la amina hace que la reacción se detenga en la N-nitrosoamina.

2°-Aminas + HONO (solución ácida fía)          Aceite insoluble (N-Nitrosoamina)

Aminas terciarias

Las aminas terciarias no tienen ningún hidrógeno sobre el nitrógeno y la sal de N-nitrosoamonio no puede evolucionar. Sin embargo, se descomponen con facilidad. La reacción no tiene utilidad sintética.

3°-Aminas + HONO (solución ácida fría)          Solución clara (formación sal amonio)