QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915) BLOQUE TEMÁTICO VII COMPUESTOS NITROGENADOS

Transcripción

1 QUÍMICA RGÁICA I (QU0915) BLQUE TEMÁTIC VII CMPUESTS ITRGEADS

2 Bloque Temático 7: compuestos nitrogenados 7.1. Aminas 7.2. Basicidad de las aminas 7.3. ucleofília de las aminas Alquilación de aminas 7.4. Síntesis controlada de aminas Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión cianuro Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión azida Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión ftalimido (Síntesis de Gabriel) 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann 7.6. Reacción de las aminas con ácido nitroso Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso Reacción de las aminas secundarias con ácido nitroso

3 7.1. Aminas Las aminas son compuestos orgánicos nitrogenados que proceden de la sustitución formal de los hidrógenos del amoníaco ( 3 ) por grupos alquilo o arilo C 3 C 3 C 3 3 C 3 C 3 C 107º 108º Amoníaco Metilamina Dimetilamina Trimetilamina (amina primaria) (amina secundaria) (amina terciaria)

4 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 -- del amoníaco es de 107, lo que se explica admitiendo una hibridación sp 3 en el átomo de nitrógeno. 5) El par electrónico libre del amoníaco provoca una compresión del ángulo que forman entre sí los orbitales híbridos sp 3, reduciéndolo de 109 a 107 grados. 6) En las aminas, como la trimetilamina, el ángulo del enlace C--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). Ángulos de enlace en las moléculas de metano, amoníaco y trimetilamina C 109º Metano 3 C C 3 3 C 107º 108º Amoníaco Trimetilamina

5 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- y -. 2) Las aminas primarias y secundarias tienen enlaces - que les permiten formar puentes de hidrógeno. 3) Las aminas terciarias, como no tienen enlace -, no pueden formar este tipo de enlaces intermoleculares. Sin embargo, pueden aceptar puentes de hidrógeno con moléculas que tengan enlaces - ó -. 3 C C 3 Dimetilamina Momento dipolar general 3 C C 3 Aminas primarias: aceptoras y donadoras de puentes de hidrógeno 3 C 3 C C 3 C 3 Aminas secundarias: aceptoras y donadoras de puentes de hidrógeno C 3 C 3 C 3 Aminas terciarias: sólo aceptoras de puente de hidrógeno

6 7.1. Aminas 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 - está menos polarizado que el enlace -. 2) Las aminas terciarias no pueden formar puentes de hidrógeno y, por tanto, tienen puntos de ebullición más bajos que los de las aminas primarias o secundarias de pesos moleculares semejantes. Comparación de los puntos de ebullición de aminas y alcoholes 3 C 3 C C 3 3 C C 3 C 2 C 3 C 2 C 2 C 3 C 2 C 2 ombre Trimetilamina Metil etil amina Tipo Amina terciaria Amina secundaria Propilamina Amina primaria Propan-1-ol Alcohol Peso molecular P. ebullición (ºC) De izquierda a derecha (en estructuras de las aminas): Disminuye el grado de sustitución de las aminas Aumenta el número de enlaces - Aumenta la posibilidad de formación de puentes de hidrógeno Aumenta el punto de ebullición

7 7.2. Basicidad de las aminas Una amina puede actuar como base de Brönsted-Lowry aceptando el protón de un ácido Reacción básica de una amina R K b R K b = R 3 R 2 1) Los valores de pk b para la mayoría de las aminas están entre ) 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 R 3 + R Progreso de la reacción

8 ombre Tipo Bloque Temático Basicidad de las aminas 3 (C 3 ) 3 C 3 2 (C 3 ) 2 Amoníaco rden de basicidad de aminas en agua Trimetilamina Amina terciaria Metilamina Amina primaria Dimetilamina Amina secundaria pk b 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. 5) Si el átomo de nitrógeno en el catión amonio presenta muchos grupos alquilo, caso de las aminas terciarias como la trimetilamina, la solvatación 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 estabilización del catión trialquilamonio.

9 7.3. ucleofília 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 2. Reacción de aminas como nucleófilos en procesos S 2 S 2 R 2 + R X R R + X 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. rden de nucleofília de aminas alifáticas R Amina primaria Menos nucleofílica R R Amina secundaria R R R` Amina terciaria Más nucleofílica

10 Alquilación de aminas 1) Las aminas reaccionan con haluros de alquilo para dar productos de -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. Formación de mezclas de productos de mono-, di- y trialquilación C 3 C Br 3 3 C 2 3 C C C C C C 3 Br Metilamina C 3 C 3 (amina primaria) Dimetilamina Trimetilamina Bromuro de tetrametilamonio 3) El problema con las reacciones de -alquilación de aminas es que la amina que se genera es más nucleofílica que la amina progenitora. Por ejemplo, en la metilación de la metilamina se forma dimetilamina, que es más nucleofílica (más reactiva) que la metilamina al estar más sustituida. La dimetilamina compite con la metilamina y reacciona con el bromuro de metilo, formando trimetilamina. Esta amina es más nucleofílica (más reactiva) que la dimetilamina y reacciona con el bromuro de metilo formando bromuro de tetrametilamonio.

11 Alquilación de aminas 1) 2) 3 C C 3 Br Reacciones de polialquilación de aminas S 3 C C Br Metilamina Bromuro de (amina primaria) metilo + C C C 3 Dimetilamina (amina secundaria) 3 C C 3 Br Bromuro de dimetilamonio + C 3 3 Br 3) 3 C C C Br S 2 3 C C 3 Br C 3 Bromuro de trimetilamonio 4) 3 C C 3 Br + C 3 2 C 3 3 C C 3 C 3 + C 3 3 Br Trimetilamina (amina terciaria) 5) C 3 C Br S C C C C 3 Br C 3 C 3 Bromuro de tretrametilamonio

12 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. Reactivos para la síntesis controlada de aminas primarias C Anión cianuro Anión azida Anión ftalimido

13 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- en el cianuro de alquilo, proporciona la amina. 1) Formación de un cianuro de alquilo mediante reacción S 2 del anión cianuro sobre un haluro de alquilo: a C + C 3 C 2 C 2 Br Cianuro sódico 1-Bromopropano S 2 C 3 C 2 C 2 C + abr Cianuro de propilo 2) idrogenación de la función nitrilo y formación de la amina primaria: Catalizador C 3 C 2 C 2 C C 3 C 2 C 2 C 2 2 Cianuro de propilo Butilamina

14 Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión azida Síntesis de aminas primarias mediante el empleo del anión azida 1) El anión azida es un buen nucleófilo. La reacción S 2 de una azida metálica, por ejemplo azida sódica, con un halogenuro de alquilo proporciona la correspondiente azida de alquilo. 2) La reducción de la función azida proporciona la amina. 1) Formación de una azida alquilo mediante reacción S 2 del anión azida sobre un haluro de alquilo: S 2 a + C 3 C 2 C 2 Br C 3 C 2 C 2 Azida sódica Azida de propilo + abr 2) Reducción de la función azida y formación de la amina primaria: C 3 C 2 C 2 Azida de propilo LiAl 4 C 3 C 2 C 2 2 Propilamina

15 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 K o a. 2) La reacción S 2 del anión ftalimido con un halogenuro de alquilo proporciona la correspondiente ftalimida de alquilo. 3) La hidrólisis básica de la ftalimida de alquilo proporciona la amina (véase la siguiente hoja)

16 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 K: + K K + 2 Ftalimida Ftalimida potásica 2) Reacción S 2 del anión ftalimido sobre un haluro de alquilo: S 2 K C 3 C 2 C 2 Br C 3 C 2 C 2 + KBr -propilftalimida 3) idrólisis básica de la -alquilftalimida: a C 3 C 2 C a C 3 C 2 C Propilamina a Ftalato sódico

17 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann Eliminacion de ofmann: reacción de eliminación E2 que tiene lugar cuando se calientan los hidróxidos de tetraalquilamonio. 1) La eliminación de ofmann forma un alqueno, junto con agua y una trialquilamina, que actúa como grupo saliente. Reacción de eliminación de ofmann R 3 idróxido de tetraalquilamonio R 3 Agua Alqueno Trialquilamina 2) Usualmente el proceso de eliminación ofmann 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. c) En la tercera etapa el hidróxido de tetraalquilamonio se somete al proceso de eliminación E2 mediante calentamiento.

18 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann Proceso de eliminación de ofmann 1) Alquilación a fondo de la amina (por ejemplo etilamina) con yoduro de metilo y conversión en yoduro de tetraalquilamonio (yoduro de etiltrimetilamonio): S 2 C 3 C C I C 3 C 2 (C 3 ) 3 I + 2 I Etilamina Yoduro de metilo Yoduro de etil trimetil amonio 2) Conversión del yoduro de etiltrimetilamonio en hidróxido de etilltrimetilamonio mediante reacción con óxido de plata húmedo: C 3 C 2 (C 3 ) 3 I + 1/ 2 Ag 2 + 1/ 2 2 Yoduro de etil trimetil amonio C 3 C 2 (C 3 ) 3 + AgI idróxido de etil trimetil amonio 3) Calentamiento del hidróxido de etiltrimetilamonio y formación del alqueno mediante reacción de eliminación E2: (C 3 ) 3 C 3 C 2 (C 3 ) 3 calor idróxido de etil trimetil amonio (C 3 ) 3 Etileno

19 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann Regla de ofmann Las eliminaciones E2 en hidróxidos de tetraalquilamonio siguen, por lo general, la regla de ofmann, formándose mayoritariamente el alqueno menos estable, que es el menos sustituido 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 Reacciones de eliminación en hidróxidos de tetraalquilamonio y en haluros de alquilo (C 3 ) 3 3 C C 2 C C 3 150ºC 3 C C 2 C C C C C C 3 1-Buteno (95%) 2-Buteno (5%) Cl 3 C C 2 C C 3 ame, Me 3 C C 2 C C 2 3 C C C C 3 1-Buteno (33%) 2-Buteno (67%)

20 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann En las reacciones de eliminación E2 de halogenuros de alquilo el enlace C- 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. Formación del alqueno mayoritario en la reacción de eliminación Zaytzeff δ 4 3 C Cl Cl 2 4 C C 3 C C C C δ 3 3 C-C C-C Me C 3 Me 2-Buteno (67%) Me 2-Clorobutano Formación del alqueno minoritario en la reacción de eliminación Zaytzeff C 1 C Cl 2-Clorobutano C 2 C 3 Estado de transición más estable: carácter de enlace doble disustituido δ Me C 1 2 C δ Cl 3 4 C 2 C 3 Estado de transición menos estable: carácter de enlace doble monosustituido 2 C C-C 2 -C 3 1-Buteno (33%)

21 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann 1) En el estado de transición de las reacciones de eliminación E2 de hidróxidos de tetraalquilamonio el enlace C- se está rompiendo más que el enlace C-, 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 β menos sustituido. Formación del alqueno mayoritario en la reacción de eliminación ofmann C 1 2 (C 3 ) 3 δ C C C 3 4 δ 1 2 C 2 C 3 (C 3 ) C 2 C 3 2 C C-C 2 -C 3 1-Buteno (95%) Estado de transición más estable: captura del protón más ácido Formación del alqueno minoritario en la reacción de eliminación ofmann 4 3 C C 3 (C 3 ) 3 δ 4 C 3 C C C 1 δ 3 2 C 3 2 (C 3 ) 3 C C-C C-C 3 2-Buteno (5%) Estado de transición menos estable: captura del protón menos ácido

22 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann 1) tro factor que explica la regioselectividad en las reacciones de eliminación de ofmann 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). 4) La reacción de eliminación en el hidróxido de trimetil 2-butilamonio forma minoritariamente el 2-buteno, porque el estado de transición que conduce a este alqueno presenta interacciones estéricas desestabilizantes entre el grupo trimetilamino y el grupo metilo en C4 (véase el esquema dibujado en la siguiente hoja).

23 7.5. Sales de amonio cuaternario: reacción de eliminación de ofmann Formación del alqueno menos sustituido (mayoritario) en la reacción de eliminación ofmann 1 C 2 3 C (C 3 ) 3 C C 2 C C 3 C C 2 C 3 C 2 C (C 3 ) 3 1-buteno (95%) Formación del alqueno más sustituido (minoritario) en la reacción de eliminación ofmann 4 3 C C 3 C 2 (C 3 ) 3 1 C 3 3 C 1 3 C C 3 C 3 C Interacción estérica desestabilizante 3 C (C 3 ) 3 C 3 2-buteno (5%)

24 7.6. Reacción de las aminas con ácido nitroso 1) El ácido nitroso ( 2 ) no es estable. Se genera in situ mediante reacción de nitrito sódico (a 2 ) con ácidos fuertes como Cl o 2 S 4. a + Cl a + Cl + itrito sódico Generación de ácido nitroso 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 2 + a Cl R Amina primaria itrito sódico Sal de alquildiazonio Cl acl R + a 2 + Cl R Amina secundaria itrito sódico R R -nitrosoamina acl R R + a 2 + Cl R Amina terciaria itrito sódico o reacciona

25 Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso formando sales de alquildiazonio: R 2 + a Cl R Cl acl Amina primaria itrito sódico Cloruro de alquildiazonio El mecanismo de la reacción es el siguiente: 1) a + Cl a + Cl + 2) + Cl 3) R 2 + R Cl 2 + Cl + Catión nitrosonio R R 4) R R R + 2 Catión alquildiazonio

26 Reacción de las aminas primarias con ácido nitroso Las sales de aalquildiazonio son inestables y se descomponen rápidamente generando nitrógeno y especies carbocatiónicas R Catión alquildiazonio R + 1) La fuerza impulsora de la reacción anterior es la formación de 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 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.

27 Reacción de las aminas secundarias con ácido nitroso Las aminas secundarias reaccionan con el ácido nitroso formando -nitrosoaminas: R + a 2 + Cl R Amina secundaria itrito sódico R acl R -nitrosoamina El mecanismo de la reacción es el siguiente: 1) a + Cl a + Cl + 2) + Cl Cl 2 + Cl + Catión nitrosonio 3) R + R R R R R + -nitrosoamina