Resumen DEL Capitulo 24 DEL Mc Murry, contiene ejercicios y ejemplos con sus respecticvos resultados PDF

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ayuda desde la química orgánica básica, desde los inicios de esta hasta la avanzada con ejercicios y explicaciones teóricas...

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RESUMEN DEL CAPITULO 24 DEL Mc MURRY MARTINEZ FLORES MERARI JAZMIN Aminas y heterocidos Las aminas son derivados orgánicos del amoniaco de la misma manera en la que los alcoholes y los éteres son derivados orgánicos del agua. Al igual que el amoniaco, las aminas contienen un átomo de nitrógeno con un par de electrones no enlazado, lo que hace a las aminas básicas y nucleofilicas. La mayor parte de la química de las aminas depende de la presencia de este par de electrones no enlazado. Las aminas se encuentran distribuidas ampliamente en todos los organismos vivos; Por ejemplo, la trimetilamina la encontramos en los tejidos animales y es parcialmente responsable del olor distintivo del pescado; la nicotina se encuentra en el tabaco y la Cocaína es un estimulante hallado en el arbusto de coca en Sudamérica. Además, los aminoácidos son las partes estructurales a partir de las cuales se preparan todas las proteínas y las bases aminas cíclicas son componentes de los ácidos nucleicos.

Nomenclatura de aminas Las aminas pueden ser alquil-sustituidas (alquilaminas) o aril-sustituidas (arilaminas). Aunque la mayor parte de la química de las dos clases es similar, también existen diferencias sustanciales. Las aminas se clasifican como: *primarias (RNH2), *secundarias (R2NH) *terciarias (R3N) Dependiendo del número de sustituyentes orgánicos unidos al nitrógeno; por lo tanto, la metilamina es una amina primaria, la dimetilamina [(CH 3 ) 2 NH]

es una amina secundaria y la trimetilamina [(CH 3 ) 3 N] es una amina terciaria. Obsérvese que este uso de los términos primario, secundario y terciario es distinto a nuestro uso previo. Cuando hablamos de un alcohol o de un halogenuro de alquilo terciario, nos referimos al grado de sustitución en el átomo de carbono del alquilo, pero cuando hablamos de una amina terciaria, nos referimos al grado de sustitución en el átomo de nitrógeno, cómo en el siguiente ejemplo:

También existen compuesto s que contienen un átomo de nitrógeno con cuatro grupos unidos, pero el átomo de nitrógeno debe llevar una carga positiva formal. A tales compuestos se les llaman sales de amonio cuaternarias. Las aminas primarias se nombran de varias maneras en el sistema IUPAC. Para las aminas sencillas, se adiciona el sufijo amina al nombre del sustituyente alquilo. Por otro lado, el sufijo -a m in a puede utilizarse en lugar de la terminación -o en el nombre del compuesto principal.

Las aminas con más de un grupo funcional se nombran considerando al -NH 2 como un sustituyente a m in o en la molécula principal Las aminas con más de un grupo funcional se nombran considerando al -NH2 como un

sustituyente amino en la molécula principal.

Las aminas secundarias y terciarias simétricas se nombran añadiendo al grupo alquilo el prefijo di- o tri-.

Las aminas secundarias y terciarias sustituidas asimétricamente se nombran como aminas primarias Nsustituidas. Se escoge el grupo alquilo más largo como el nombre principal y los otros grupos alquilo son los N-sustituyentes en el componente principal (N debido a que están unidos al nitrógeno).

Las aminas heterocíclicas, compuestos en los que el nitrógeno se encuentra como parte de un anillo, también son comunes y cada sistema de anillo heterocíclico distinto tiene su propio

nombre principal. El átomo de nitrógeno heterocíclico siempre se numera como la posición 1.

Estructura y propiedades de las aminas El enlace en las alquilaminas es similar al enlace en el amoniaco. El átomo de nitrógeno tiene hibridación sp3, con los tres sustituyentes ocupando tres vértices de un tetraedro y el par de electrones no enlazado ocupando el cuarto vértice. Como podría esperar, los ángulos del enlace C -N -C son cercanos al valor tetraédrico de 109°. Para la tri-metilamina, el ángulo del enlace C -N -C es de 108° y la longitud del enlace C-N es de 147 pm. Una consecuencia de la geometría tetraédrica es que una amina con tres sustituyentes diferentes en el nitrógeno es quiral, sin embargo, a diferencia de los compuestos con carbonos quirales, las aminas quirales por lo general no pueden resolverse debido a que las dos formas enantioméricas se interconvierten rápidamente por una inversión piramidal, al igual que un halogenuro de alquilo se invierte en una reacción S n 2. Las alquilaminas tienen una variedad de aplicaciones en la industria química como materias primas para la preparación de insecticidas y productos farmacéuticos; por ejemplo, el labetalol, un bloqueador /3 utilizado para el tratamiento de la presión arterial alta, se prepara por la reacción S^2 de un epóxido con una amina primaria. La sustancia comercializada para su uso farmacéutico es una mezcla de cuatro estereoisómeros posibles, pero la actividad biológica deriva principalmente del isómero (R,R). Otra característica de las aminas es su olor. Las aminas con peso molecular bajo como la trimetilamina tienen un aroma distintivo parecido al del pescado, mientras que las diaminas como la 1,5-pentanodiamina, llamada comúnmente cadaverina y putrescina (1,4-butanodiamina), tienen los olores desagradables que podrían esperarse de sus nombres comunes. Estas aminas se presentan a partir de la descomposición de las proteínas.

Basiddad de las aminas

La química de las aminas está dominada por el par de electrones no enlazado en el nitrógeno, lo que hace a las aminas básicas y nucleofílicas; reaccionan con ácidos para formar sales ácido-base y con electrófilos en muchas de las reacciones polares estudiadas en los capítulos anteriores. Las aminas son bases mucho más fuertes que los alcoholes y los éteres, sus análogos contienen oxígeno. Cuando una amina se disuelve en agua, se establece un equilibrio en el que el agua actúa como un ácido y transfiere un protón a la amina. De la misma manera como la fuerza ácida de un ácido carboxílico puede medirse al definir una constante de acidez Ka, la fuerza básica de una amina puede medirse al definir una constante de basicidad Kb análoga. A mayor valor de Kb y menor valor de pKb´, más favorable será el equilibrio para la transferencia de un protón y más fuerte es la base. Para la reacción:

En la práctica, los valores de Kb no se utilizan con frecuencia. En lugar de eso, la forma más conveniente para medir la basicidad de una amina (RNH2) es analizar la acidez del ion amonio correspondiente (RNH3+). Para la reacción:

esto es, una base más débil tiene un ion amonio con un p K a menor, y una base más

fuerte tiene un ion amonio con un p K a mayor. Base más débil Menor p K a para el ion amonio Base más fuerte Mayor p K a para el ion amonio La tabla enlista los valores de p K a para algunos iones amonio a partir de una variedad de aminas e indica que hay un intervalo significativo de basicidad de las aminas. Las alquilaminas más sencillas son similares en su fuerza básica, con piCa para sus iones amonio en el intervalo estrecho de 1 0 a 1 1 ; sin embargo, las arilaminas son considerablemente menos básicas que las alquilaminas, como lo son las aminas heterocíclicas piridina y pirrol.

En contraste con las aminas, las amidas (RCONH 2 ) son no básicas. Las amidas no experimentan una protonación sustancial por ácidos acuosos y son nucleófilos pobres. La razón principal para esta diferencia en la basicidad entre las aminas y las amidas es que una amida se estabiliza por la deslocalización del par de electrones no enlazado del nitrógeno a través del traslape orbital con el grupo carbonilo. En términos de resonancia, las amidas son más estables y menos reactivas que las aminas debido a que son híbridos de dos formas resonantes. La estabilización por resonancia de las amidas se pierde cuando se protona el átomo de nitrógeno, por lo que se desfavorece la protonación. Los mapas de potencial electrostático muestran claramente el descenso de la densidad electrónica en el nitrógeno de la amida. Basicidad de arilaminas

Como notó anteriormente, por lo general las arilaminas son menos básicas que las alquilaminas; por ejemplo, el ion anilonio tiene un pKa = 4.63, mientras el ion metilamonio tiene un piCa = 10.64. Las arilaminas son menos básicas que las alquilaminas debido a que el par de electrones no enlazado del nitrógeno está deslocalizado por la interacción con el sistema electrónico 7 r del anillo aromático y está menos disponible para el enlace con el H+. En términos de resonancia, las arilaminas están estabilizadas en relación con las alquilaminas debido a sus cinco formas resonantes. Sin embargo, la mayor parte de la estabilización por resonancia se pierde en la protonación, por lo que la diferencia de energía entre las formas protonada y no protonada es mayor para las arilaminas que para las alquilaminas. Como resultado, las arilaminas son menos básicas. Las arilaminas sustituidas pueden ser más básicas o menos básicas que la anilina, dependiendo del sustituyente. Los sustituyentes donadores de electrones, como -CH 3 ,-NH 2 y -OCH 3 , los cuales aumentan la reactividad de un anillo aromático hacia la sustitución electrofílica (sección 16.5), también aumentan la basicidad de la arilamina correspondiente. Los sustituyentes atractores de electrones, como — Cl, -NO 2 y — CN, los cuales disminuyen la reactividad del anillo hacia la sustitución electrofílica, también disminuyen la basicidad de la arilamina. La tabla siguiente considera anilinas p-sustituidas, pero se observan tendencias similares para los derivados orto y meta:

Síntesis de aminas

Reducción de nitrilos, amidas y compuestos nitro Las arilaminas se preparan generalmente por la nitración de una materia prima aromática, seguida por la reducción de un grupo nitro (sección 16.2). El paso de la reducción puede realizarse de varias maneras distintas, dependiendo de las circunstancias. La hidrogenación catalítica sobre platino funciona bien, pero con frecuencia es incompatible con la presencia en cualquier parte de la molécula de otros grupos reducibles, como los enlaces C=C y los grupos carbonilo. El hierro, el zinc, el estaño, y el cloruro de estaño(II) (SnCl 2 ) también son efectivos cuando se utilizan en disolución acuosa ácida. El cloruro de estaño(II) es particularmente moderado y con frecuencia se utiliza cuando están presentes otros grupos funcionales reducibles. Reacciones S n 2 de los halogenuros de alquilo El amoniaco y otras aminas son nucleófilos buenos en las reacciones S-^2. Como resultado, el método más sencillo de síntesis de alquilaminas es por la alquilación S n 2 del amoniaco o de una alquilamina con un halogenuro de alquilo. Si se utiliza amoniaco, se obtiene una amina primaria; si se utiliza una amina primaria, se obtiene una amina secundaria; y así sucesivamente. Aun las aminas terciarias reaccionan rápidamente con halogenuros de alquilo para producir sales cuaternarias de amonio, R 4 N+ X- .

De safortunadamente, estas reacciones no se obtienen limpiamente después de que ha ocurrido una sola alquilación. Debido a que el amoniaco y las aminas primarias tienen reactividades similares, la sustancia monoalquilada formada inicialmente experimenta con frecuencia una reacción posterior para generar una mezcla de productos. Aun las aminas secundarias y terciarias experimentan una alquilación posterior, aunque en menor grado; por ejemplo, el tratamiento del 1 -bromooctano con un exceso del doble de amoniaco

conduce a una mezcla que sólo contiene 45% de octilamina. Una cantidad casi igual de dioctilamina se produce por una alquilación doble, junto con cantidades menores de trioctilamina y bromuro de tetraoctilamonio. *Un método mejor para la preparación de aminas primarias es utilizar el ion azida, N 3 - , como nucleófilo en lugar de amoniaco para la reacción S n 2 con un halogenuro de alquilo primario o secundario. El producto es una alquil azida, que no es nucleofílica, por lo que no ocurre la sobrealquilación. La reducción subsecuente de la alquilazida con L 1 AIH 4 , conduce a la obtención de la amina primaria deseada. *Otra alternativa para la preparación de una amina primaria a partir de un halogenuro de alquilo es la síntesis de aminas de Gabriel, la cual utiliza una alquilación deftalimida. Una imida (-CONHCO-) es similar a un /3-ceto éster en que el hidrógeno ácido del N-H está flanqueado por dos grupos carbonilo; por lo tanto, las imidas se desprotonan por medio de bases como el KOH, y los aniones obtenidos se alquilan fácilmente en una reacción similar a la síntesis del éster acetoacético.La hidrólisis básica de la imida N-alquilada genera una amina primaria como producto. El paso de hidrólisis de la imida es análogo a la hidrólisis de una amida. Aminación reductiva de aldehidos y cetonas Las aminas pueden sintetizarse en un solo paso por el tratamiento de un aldehido o de una cetona con amoniaco o una amina en presencia de un agente reductor, un proceso llamado aminación reductiva; por ejemplo, la anfetamina, una estimulante del sistema nervioso central, se prepara comercialmente mediante la aminación reductiva de la fenil-2-propanona con amoniaco, utilizando hidrógeno gaseoso sobre un catalizador de níquel como agente reductor. En el laboratorio, ya sea el NaBH 4 o el NaBH(OAc ) 3 relacionado son de uso general (OAc = acetato). La aminación reductiva se efectúa primero se forma una imina como intermediaria mediante una reacción de adición nucleofílica y después se reduce el enlace C=N de la imina a la amina así como el enlace C =0 de una cetona se puede reducir a un alcohol.

Reacciones de aminas Alquilación y acilación

Las aminas primarias, secundarias y terciarias pueden alquilarse por la reacción con un halogenuro de alquilo primario. Las alquilaciones de las aminas primarias y secundarias son difíciles de controlar y con frecuencia dan mezclas de productos, pero las aminas terciarias se alquilan limpiamente para dar sales de amonio cuaternarias. Las aminas primarias y secundarias (pero no las terciarias) también pueden acilarse por la reacción de sustitución nucleofílica en el grupo acilo con un cloruro de ácido o un anhídrido de ácido para producir una amida (secciones 21.4 y 21.5). Note que no ocurre la sobreacilación del nitrógeno debido a que la amida producida es mucho menos nucleofílica y menos reactiva que la amina inicial. Eliminación de Hofmann Al igual que los alcoholes, las aminas pueden convertirse en alquenos por una reacción de eliminación; sin embargo, debido a que el ion amiduro, NH 2 - , es un mal grupo saliente, primero debe convertirse en un buen grupo saliente. En la reacción de eliminación de Hofmann, se metila por completo una amina por la reacción con exceso de yodometano para producir una sal cuaternaria de amonio, la cual experimenta una eliminación para dar un alqueno al calentarse con una base, típicamente óxido de plata, Ag 20 ; por ejemplo, la 1 metilpentilamina se convierte en 1 -hexeno.El óxido de plata actúa intercambiando el ion yoduro por el ion hidróxido en la sal cuaternaria, por tanto, provee la base necesaria para ocasionar la eliminación. El paso de eliminación real es una reacción E2 en la que el ion hidróxido elimina un protón al mismo tiempo que sale el átomo de nitrógeno cargado positivamente. A diferencia de lo que ocurre en otras reacciones E2, el principal producto de la eliminación de Hofmann es el alqueno menos sustituido en vez del más sustituido, como se muestra por la reacción de hidróxido de ( 1 -metilbutil) trimetilamonio para dar 1-penteno en lugar del 2penteno alternativo. La razón de este resultado antiZaitsev es, probablemente, estérica. Debido al gran tamaño del grupo saliente trialquilamina, la base debe sustraer un hidrógeno de la posición menos impedida y, por tanto, más accesible estéricamente. La reacción de eliminación de Hofmann actualmente no se utiliza con frecuencia en el laboratorio, pero las eliminaciones biológicas análogas ocurren con frecuencia, aunque por lo general con iones amonio protonados en lugar de sales cuaternarias de amonio. Por ejemplo, en la biosíntesis de ácidos nucleicos una sustancia llamada adenilsuccinato experimenta una eliminación de un nitrógeno cargado positivamente para dar fumarato más monofosfato de adenosina.

Reacciones de arilaminas Sustitución electrofílica aromática Un grupo amino es un activante fuerte, que orienta a las posiciones orto y para en las reacciones de sustitución electrofílica aromática (sección 16.5). Esta alta reactividad de los amino bencenos sustituidos en ocasiones se puede convertir en una desventaja debido a que con frecuencia dificulta prevenir la polisustitución; por ejemplo, la reacción de la anilina con Br 2 tiene lugar rápidamente y genera el producto 2,4,6-tri-bromado. El grupo amino es un activante tan fuerte que no es posible detener la reacción en la etapa del producto monobromado. Otra desventaja respecto al uso de los bencenos sustituidos con grupos amino en las reacciones de sustitución electrofílica aromática es que las reacciones de Friedel-Crafts no son exitosas (sección 16.3). El grupo amino forma un complejo ácido-base con el catalizador AICI 3 , el cual previene que ocurra la reacción posterior; sin embargo, ambas desventajas pueden superarse realizando las reacciones de sustitución electrofílica aromática en la amida correspondiente en lugar de la amina libre. El tratamiento de una amina con anhídrido acético produce la acetil amida correspondiente, o acetamida. Aunque los sustituyentes amido (-NHCOR) siguen siendo activantes y orientadores orto, para, son activantes menos fuertes y menos básicos que los grupos amino debido a que el par de electrones no enlazado del nitrógeno está deslocalizado por el grupo carbonilo vecino. Como resultado, la bromación de una N-arilamida ocurre limpiamente para dar un producto monobromado, y la hidrólisis con una base acuosa da la amina libre; por ejemplo, la p-toluidina (4-metilanilina) puede acetilarse, bromarse e hidrolizarse para producir 2-bromo-4-metilanilina. No se obtiene ningún producto 2,6-dibromado....