Tema7ppt

QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915)

BLOQUE TEMÁTICO VII

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 empleo del anión cianuro

7.4.3. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión azida

7.4.2. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido

(Síntesis de Gabriel)

7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann

7.6. Reacción de las aminas con ácido nitroso

7.6.1. Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso

7.1. Aminas

Las aminas son compuestos orgánicos nitrogenados que proceden de la sustitución formal de los hidrógenos del amoníaco (NH₃) por grupos alquilo o arilo

N H

H

H

Amoníaco

N H H₃C

H

M etilamina

N H H₃C

CH₃

Dimetilamina

N H₃C

H₃C

CH₃

Trimetilamina

107º 108º

7.1. 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 aminas, considerando en ellas al par de electrones no enlazantes, es tetraédrica ligeramente distorsionada.

3) El par de electrones no enlazantes ocupa una de las 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 alquilo, más voluminosos que los átomos de hidrógeno, abren ligeramente el ángulo (108º en el caso de la trimetilamina).

N H

H

H

Amoníaco

N H₃C

H₃C

CH₃

Trimetilamina

107º 108º

C H

H

H H

109º Metano

7.1. Aminas

1) Las aminas son muy polares porque el momento dipolar del par aislado de electrones se suma a los momentos dipolares de los enlaces 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 aceptar puentes de hidrógeno con moléculas que tengan enlaces O-H ó N-H.

N H

H₃C

CH₃ Dimetilamina M omento dipolar general Aminas primarias: aceptoras y donadoras de

puentes de hidrógeno

N CH₃ CH₃ CH₃ O H H Aminas terciarias: sólo aceptoras de puente de hidrógeno

N CH₃ H H N H H₃C

H

Aminas secundarias: aceptoras y donadoras de

puentes de hidrógeno

N CH₃ CH₃ H N H H₃C

7.1. Aminas

N

H₃C H₃C

H₃C

N

CH₃CH₂ CH₃

H

O

CH₃CH₂CH₂ H

Comparación de los puntos de ebullición de aminas y alcoholes

Nombre Trimetilamina Metil etil amina

Tipo Amina terciaria Amina secundaria

P. ebullición (ºC)

60 59

59 59

De izquierda a derecha (en estructuras de las aminas): Disminuye el grado de sustitución de las aminas

Aumenta el número de enlaces N-H

Aumenta la posibilidad de formación de puentes de hidrógeno Aumenta 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 débiles 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.

7.2. Basicidad de las aminas

Una amina puede actuar como base de Brönsted-Lowry aceptando el protón de un ácido

R N H

H

H O

Reacción básica de una amina

R N H

H

H OH Kb=

K_b

H

RNH₃ OH

RNH₂

1) Los valores de pK_b para la mayoría de las aminas están entre 3-5.

2) El equilibrio de la reacción de protonación se encuentra desplazado hacia la izquierda. 3) Cualquier característica estructural y/o electrónica que estabilice al catión alquilamonio, en relación con la amina libre, desplazará el equilibrio de la reacción hacia la derecha, haciendo que la amina sea una base más fuerte.

Energía

Progreso de la reacción RNH₂ + H₂O

7.2. Basicidad de las aminas

Nombre Metilamina Dimetilamina

Tipo Amina primaria Amina secundaria

Trimetilamina

Amina terciaria

NH₃ CH₃NH_{2 (CH3)2NH}

4.74

(CH₃)₃N

Orden de basicidad de aminas en agua

pK_{b 4.26 3.35 3.29}

Amoníaco

De izquierda a derecha: Aumenta la fuerza básica

1) Las alquilaminas son bases más fuertes que el amoníaco.

2) Esta diferencia de basicidad se explica por el efecto inductivo electrón-dador (+I) de los grupos alquilo, que ayudan a estabilizar la carga positiva 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.

7.3. Nucleofília de las aminas

1) El par electrónico libre de las aminas es el responsable de su carácter básico y también de su carácter nucleofílico.

2) Las aminas son buenos nucleófilos y participan en reacciones S_N2.

R´ X

R NH_{2 +} SN2

Reacción de aminas como nucleófilos en procesos S_N2

N R

H

R´ + HX

3) La nucleofília de las aminas alifáticas aumenta con su grado se sustitución debido al efecto inductivo electrón-dador (+I) de las cadenas alifáticas unidas al átomo de nitrógeno.

N R

H

R´

Amina primaria Amina secundaria

N R

R`´ R´

Amina terciaria Orden de nucleofília de aminas alifáticas

Menos nucleofílica _{Más nucleofílica} N

R

7.3.1. 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 halogenuro de alquilo, algunas aminas reaccionan una, dos y hasta tres veces, produciendo mezclas de productos de mono-, di- e incluso trialquilación.

H₃C Br

H₃C NH_{2 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 trialquilación

7.3.1. Alquilación de aminas

Bromuro de trimetilamonio

H₃C Br

S_N2

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 + CH₃NH₂ H3C N CH3

CH₃

+ CH₃NH₃Br

Trimetilamina (amina terciaria)

Bromuro de tretrametilamonio

H₃C Br SN2

H₃C N CH₃

CH₃

H₃C N CH₃

CH₃

CH₃

Br +

Reacciones de polialquilación de aminas

1)

2)

3)

4)

H₃C Br

H₃C NH₂ SN2 _H

3C N CH3 Br

7.4. Síntesis controlada de aminas

Para evitar las alquilaciones múltiples que se producen en la reacción de las aminas con halogenuros de alquilo se emplean métodos alternativos 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

7.4.1. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión cianuro

Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión cianuro

1) El anión cianuro es un buen nucleófilo. La reacción S

2 de un cianuro

metálico, por ejemplo cianuro sódico, con un halogenuro 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 C

Na + CH₃CH₂CH₂ Br Cianuro sódico 1-Bromopropano

S_N2

CH₃CH₂CH₂ C N + NaBr

Cianuro de propilo

1) Formación de un cianuro de alquilo mediante reacción S_N2 del anión cianuro sobre un haluro de alquilo:

2) Hidrogenación de la función nitrilo y formación de la amina primaria:

CH₃CH₂CH₂ C N Cianuro de propilo

7.4.1. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión azida

Na ₊ CH3CH2CH2 N

Azida sódica

S_N2

+ NaBr

Azida de propilo

1) Formación de una azida alquilo mediante reacción S_N2 del anión azida sobre un haluro de alquilo:

2) Reducción de la función azida y formación de la amina primaria:

CH₃CH₂CH₂ NH₂

Propilamina

N N N CH₃CH₂CH₂ Br N N

CH₃CH₂CH₂ N

Azida de propilo

N N LiAlH4

Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión 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 proporciona la correspondiente azida de alquilo.

7.4.3. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido

Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido (Síntesis de Gabriel)

1) El anión ftalimido es un buen nucleófilo. Esta especie 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 proporciona la correspondiente ftalimida de alquilo.

7.4.3. Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido

Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido (Síntesis de Gabriel)

1) Generación del anión ftalimido mediante ionización de la ftalimida con KOH:

CH₃CH₂CH₂ Br NH

O

O

N O

O Ftalimida

+ KOH K + H₂O

Ftalimida potásica

2) Reacción S_N2 del anión ftalimido sobre un haluro de alquilo:

N O

O K

S_N2

CH₃CH₂CH₂ N O

O

+ KBr

N-propilftalimida

3) Hidrólisis básica de la N-alquilftalimida:

CH₃CH₂CH₂ N O

O

+ 2 NaOH CH₃CH₂CH₂ NH₂ O O

O Propilamina

O Na

Na

7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann

H

NR₃

HO

Reacción de eliminación de Hofmann

H₂O + _{+ R3N}

Hidróxido de tetraalquilamonio

Agua 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 con agua y una trialquilamina, que actúa como grupo saliente.

2) Usualmente el proceso de eliminación Hofmann se lleva a cabo en tres etapas:

a) En la primera etapa la amina se convierte en un yoduro de tetraalquilamonio por reacción con yoduro de metilo.

b) En la segunda etapa el yoduro de tetraalquilamonio se convierte en hidróxido de tetraalquilamonio por reacción con óxido de plata húmedo.

7.5. 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 etil trimetil amonio Proceso de eliminación de Hofmann

1) Alquilación a fondo de la amina (por ejemplo etilamina) con yoduro de metilo y conversión en yoduro de tetraalquilamonio (yoduro de etiltrimetilamonio):

2) Conversión del yoduro de etiltrimetilamonio en hidróxido de etilltrimetilamonio mediante reacción con óxido de plata húmedo:

S_N2

CH₃CH₂ N(CH₃)₃ I + 1/₂ Ag₂O + 1/₂ H₂O

Yoduro de etil trimetil amonio

CH₃CH₂ N(CH₃)₃ OH + AgI

Hidróxido de etil trimetil amonio

3) Calentamiento del hidróxido de etiltrimetilamonio y formación del alqueno mediante reacción de eliminación E2:

CH₃CH₂ N(CH₃)₃

Hidróxido de etil trimetil amonio

OH calor

H _H

H

N(CH₃)₃

H _H

HO

H H

H H

+ H₂O + (CH₃)₃N

7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann

H₃C CH₂ CH CH₃ N(CH₃)₃ HO

150ºC

H₃C CH₂ CH CH₂

1-Buteno (95%)

+ H₃C CH CH CH₃

2-Buteno (5%)

Reacciones de eliminación en hidróxidos de tetraalquilamonio y en haluros de alquilo

H₃C CH₂ CH CH₃ Cl

NaOMe, 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 lo general, la regla de Saytzeff, formándose mayoritariamente el alqueno más estable, que es el más

sustituido

Las eliminaciones E2 en hidróxidos de tetraalquilamonio siguen, por lo general, la regla de Hofmann, formándose mayoritariamente el alqueno menos estable,

7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann

En las reacciones de eliminación E2 de halogenuros de alquilo el enlace C-H se está rompiendo de forma sincrónica con el enlace C-X, de forma que el estado de transición desarrolla un notable carácter de doble enlace, favoreciéndose 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

CH₂CH₃ H Cl MeO C C H H H

CH₂CH₃ H

Cl

MeO δ

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 eliminación Zaytzeff

C C

H

H₃C H

CH₃ H Cl MeO C C H

H₃C H CH₃ H Cl MeO δ 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 eliminación Zaytzeff

7.5. 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

CH₂CH₃ H

N(CH₃)₃

C C

H

H H

CH₂CH₃ H

N(CH₃)₃

HO

δ

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 eliminación Hofmann

C C

H

H₃C H

CH₃ H

N(CH₃)₃

C C

H

H₃C H

CH₃ H

N(CH₃)₃

HO

δ

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 eliminación Hofmann

HO HO 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann

1) Otro factor que explica la regioselectividad en las reacciones de eliminación de Hofmann es el gran volumen estérico del grupo saliente (una trialquilamina).

2) El mecanismo de eliminación E2 implica una disposición anticoplanar entre el grupo saliente y el protón que captura la base.

3) La reacción de eliminación en el hidróxido de trimetil 2-butilamonio forma mayoritariamente el 1-buteno, porque el estado de transición que conduce a este alqueno no presenta interacciones estéricas desestabilizantes (véase el esquema dibujado en la siguiente hoja).

7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de Hofmann

C C

H

H₃C H

CH₃ H

N(CH₃)₃

Formación del alqueno más sustituido (minoritario) en la reacción de eliminación Hofmann

HO 1 2 3 4 3 1 H H CH₃ 4 N

H₃C H H₃C

CH₃ CH₃

HO

H _CH

3

H₃C _H

H₂O + _{+ (CH}

3)3N

2-buteno (5%) Interacción estérica desestabilizante C C H H H H CH₂CH₃

N(CH₃)₃

Formación del alqueno menos sustituido (mayoritario) en la reacción de eliminación Hofmann

HO 2 3 4 1 3 4 H H H 1 N

H CH₂CH₃ H₃C

CH₃ CH₃

HO

H _H

H CH₂CH₃ H₂O +

+ (CH₃)₃N

7.6. Reacción de las aminas con ácido nitroso

1) El ácido nitroso (HNO₂) no es estable. Se genera in situ mediante reacción de nitrito sódico (NaNO₂) con ácidos fuertes como HCl o H₂SO₄.

O N O

Na + HCl Na + Cl + H O N O

Nitrito sódico _{Ácido nitroso}

Generación de ácido nitroso

2) La productos que se forman en la reacción de las aminas con el ácido nitroso dependen del grado de sustitución de aquéllas.

R NH₂ + NaNO₂ + 2 HCl R N N + 2 H₂O + NaCl

Amina primaria Nitrito sódico Sal de alquildiazonio Cl

R N _{+ NaNO}

2 + HCl

Amina secundaria R´

H

Nitrito sódico

R N R´

N O

N-nitrosoamina

+ H₂O + NaCl

R N _{+ NaNO2 + HCl}

Amina terciaria R´

R´´

Nitrito sódico

7.6.1. Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso

Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso formando sales de alquildiazonio:

El mecanismo de la reacción es el siguiente:

R NH₂ + NaNO₂ + 2 HCl R N N + 2 H₂O + NaCl Amina primaria Nitrito sódico _{Cloruro de alquildiazonio}

Cl

R NH₂

O N O

Na + HCl Na + Cl + H O N O

1)

O N O

H + HCl

2) H O N O

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

7.6.1. Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso

1) La fuerza impulsora de la reacción anterior es la formación de N₂, 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 productos de sustitución, reaccionando con bases para dar lugar a olefinas, o experimentando reacciones de transposición.

3) Debido a la competencia que se establece entre las vías de reacción del carbocatión, por lo general, las sales de alquildiazonio se descomponen para dar mezclas de productos.

R N N

Catión alquildiazonio

R + N N

7.6.2. Reacción de las aminas secundarias con ácido nitroso

Las aminas secundarias reaccionan con el ácido nitroso formando N-nitrosoaminas:

El mecanismo de la reacción es el siguiente:

R NH

O N O

Na + HCl Na + Cl + H O N O 1)

O N O

H + HCl

2) H O N O

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 _{+ NaNO}

2 + HCl

Amina secundaria R´

H

Nitrito sódico

R N R´

N O

N-nitrosoamina