QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915) BLOQUE … primaria < amina secundaria < amina terciaria 4) La situación real es más complicada debido a la solvatación. Los iones amonio tienen

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)


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


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


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.


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


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


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


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


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).


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

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QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915) BLOQUE … primaria < amina secundaria < amina terciaria 4) La situación real es más complicada debido a la solvatación. Los iones amonio tienen