QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL

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1 UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA CURSO DE QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL AUTORA: LUZ MARINA JARAMILLO PhD Profesora Titular Facultad de Ciencias - Departamento de Química Santiago de Cali, 2001

2 COMPUESTOS ORGÁNICOS DEL NITRÓGENO: AMINAS, NITROSOAMINAS, COMPUESTOS AZO Y HETEROCICLICOS AROMÁTICOS INTRODUCCIÓN OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8.1 EL GRUPO AMINO Y CLASIFICACIÓN DE LAS AMINAS 8.2 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS AMINAS 8.3 BASICIDAD DE LAS AMINAS Sales de las Aminas 8.4 REACCIONES DE LAS AMINAS Aminas cono Nucleófilos. Alquilación Eliminación de Hoffmann Reacciones de Aminas con Acido Nitroso: Sales Diazonio y Nitrosoaminas Aminas Primarias Alifáticas Aminas Primarias Aromáticas Aminas Secundarias: Formación de Nitrosoaminas Aminas Terciarias Sustitución Electrofílica Aromática 8.5 ANÁLISIS CUALITATIVO DE AMINAS 8.6 TOXICISIDAD DE LOS N-NITROSOCOMPUESTOS O NITROSOAMINAS

3 8.7 AMINAS NATURALES Y FISIOLÓGICAMENTE ACTIVAS Aminoalcoholes Alcaloides 8.8 HETEROCICLICOS AROMÁTICOS NITROGENADOS Anillos de Seis Miembros Piridina y Derivados Naturales Pirimidina y Derivados Naturales Anillos de Cinco Miembros Pirrol y Derivados Naturales Imidazol y Derivados Naturales Heterocíclicos Fusionados Indol y Derivados Naturales Purina y Derivados Naturales

4 INTRODUCCIÓN Una variedad amplia de compuestos orgánicos contienen nitrógeno, pero para los propósitos de esta unidad, tomaremos los compuestos orgánicos del nitrógeno principalmente como sustancias que contienen enlaces carbono-nitrógeno (C-N). El carbono, el hidrógeno y el oxígeno son los tres elementos mas comunes en los sistemas vivientes. El cuarto de la lista, el nitrógeno, se encuentra en los aminoácidos los bloques de constitución de las proteínas en las moléculas de la vida o ácidos nucleicos, como también en otras muchas sustancias naturales de origen tanto animal como vegetal. Se considerará primero la química de los derivados de amoníaco o aminas que contienen el enlace C-N en su estado de oxidación mas bajo. Luego se considerarán las sustancias que tienen nitrógeno en un nivel de oxidación mas alto.

5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1 Dado un conjunto de aminas, ordenarlas por su fuerza básica creciente o decreciente a través de un análisis estructural. 2 Dada la estructura de una amina determinada y condiciones de reacción especificas escribir la estructura del producto o productos que se forma (n). 3 Describir pruebas químicas sencillas a nivel de tubo de ensayo para distinguir una amina de otros compuestos orgánicos y clasificarla como amina 1 a, 2 a y 3 a. 4 Describa la naturaleza química de las sales díazonio, y compuestos azo. 5 Explicar el origen natural de las N-Nitrosoaminas y el grado de exposición y toxicidad en el hombre. 6 Escribir estructuras y describir la naturaleza química de los principales compuestos heterocíclicos del nitrógeno de cinco y seis miembros. 7 Describir la estructura, naturaleza química y ocurrencia natural del sistema fusionado indol. 8 Describir la estructura, naturaleza química y ocurrencia natural del sistema fusionado purina.

6 DESARROLLO DEL CONTENIDO 8.1 EL GRUPO AMINO Y CLASIFICACIÓN DE LAS AMINAS Las aminas tienen la misma relación con el amoníaco que los alcoholes, fenoles y éteres con el agua. Son derivados alquílicos y arílicos del amoníaco. Se clasifican en aminas primarias, secundarias y terciarias, de acuerdo con el número de sustituyentes alquilos o arilos unidos al nitrógeno. Ejemplos 6

7 El átomo de nitrógeno se puede unir también a un cuarto grupo o átomo, en cuyo caso hace parte de un ión positivo. Estos compuestos iónicos se dividen en dos categorías: si uno o más de los átomos unidos al N son hidrógenos, se trata de una sal de amina; si los cuatro átomos forman parte de grupos alquilo o arilo y no hay hidrógenos unidos al N, se trata de una sal de amonio cuaternaria. Estas sales son derivadas del ión amonio, NH. Se tiene ya amplio conocimiento del arreglo espacial de átomos y grupos unidos a átomos de carbono; es decir la estereoquímica del carbono. Estudiemos ahora, (brevemente) la estereoquímica del nitrógeno. Como ya se mencionó las aminas son simplemente amoníaco con uno o mas hidrógenos remplazados por grupos orgánicos. El nitrógeno utiliza orbitales sp 3, que se dirigen hacia los vértices de un tetrahedro. Tres de estos traslapan orbitales s de hidrógeno o sp 3 de carbono formando enlaces σ. El orbital sp 3 sobre 7

8 nitrógeno restante contiene un par de electrones no-compartido. En consecuencia las aminas son piramidales como el amoniaco y tienen casi los mismos ángulos de enlace ( 108º en trimetilamina, por ejemplo). Además, una molécula de amina con tres grupos diferentes unidos al nitrógeno es quiral. No obstante, los enantiómeros de la gran mayoría de las aminas no se pueden aislar a causa de la rápida inversión de las imágenes especulares que se produce a la temperatura ambiente (Fig. 8.1). Que también puede representarse como: Figura 8.1 ínterconversión rápida entre los cuantiómeros de una amina quiral Esta inversión de configuración (conocida también como inversión de Walden), transcurre a través de un ET plano (nitrógeno sp 2 ). El resultado es que el átomo de nitrógeno piramidal se invierte sobre sí mismo, como un paraguas en medio de un fuerte viento. Las sales cuaternarias de amonio con cuatro grupos diferentes, sí pueden existir como enantiómeros separables, ya que son estructuralmente semejantes a compuestos con un carbono 8

9 asimétrico. Un par de enantiómeros: Ejercicio 8.1 Dé un nombre aceptable a cada uno de los siguientes compuestos: a) H 2 N(CH 2 ) 4 NH 2 (Sustancia de olor muy desagradable encontrada en la carne descompuesta) b) c) (CH 3 ) 2CHCH 2 NH 2 d) e) f) Ejercicio 8.2 Cuáles de las estructuras siguientes podrían existir como enantiómeros separables? a) b) CH 3 NHCH 2 CH 2 Cl 9

10 8.2 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS AMINAS Las aminas pueden formar enlaces de hidrógeno intermoleculares (como el amoníaco). El enlace N---H-N- es mas débil que el O---H-O, ya que el N es menos electronegativo que el O y, por consiguiente, el enlace NH es menos polar. A causa de este enlace de hidrógeno débil, los puntos de ebullición de las aminas se sitúan en un rango intermedio entre los de los compuestos que no forman enlaces de hidrógeno (tales como alcanos o éteres) y los de aquellos que forman fuertes enlaces de hidrógeno (tales como alcoholes) de peso molecular comparables. CH 3 CH - 2O-CH 2 CH 3 (CH 3 CH 2 ) 2NH CH 3 (CH 2 ) 2 CH 2 OH PM = PM = PM = p.e. = 34.5 p.e. = 56º p.e. = 117 Las aminas primarias que poseen de tres a once átomos de carbono son liquidas; las homólogas superiores son sólidas. La dimetilamina es la única amina secundaria gaseosa y la trimetilamina es la única amina terciaria gaseosa. Las aminas terciarias al no poseer enlaces N H no pueden formar enlaces de H en el estado líquido y, como consecuencia, sus puntos de ebullición son inferiores a los de las aminas primarias 10

11 o secundarias de peso molecular equivalente, situándose mas bien próximos a los de los alcanos de peso molecular similar. No hay enlace de H enlace de H p.e. 3 p.e. -10º p.e. 48º PM: Las aminas de bajo peso molecular son solubles en agua, debido a que pueden formar enlaces de hidrógeno con ésta. Las aminas terciarias al igual que las primarias y secundarias, pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua, pues poseen pares de electrones no-compartidos. La Tabla 8.1 resume las propiedades físicas de algunas aminas comunes. Las aminas de bajo peso molecular como metilamina y etilamina tienen olores semejantes al amoníaco. Aquellos con pesos moleculares un poco mas altos tienen olores bastante desagradables semejantes al pescado. Dos diaminas, la putrescina y la cadaverina de olores fuertemente desagradables se forman precisamente de la descomposición de carne o pescado. 11

12 Las aminas aromáticas tienen olores moderadamente agradables, picantes pero ellas son al mismo tiempo tóxicas, pueden ser absorbidas directamente a través de la piel con algunos resultados fatales. Tabla 8.1 Propiedades Físicas de Algunas Aminas Comunes 12

13 Tabla 8.1 Propiedades Físicas de Algunas Aminas Comunes (Continuación) 8.3 BASICIDAD DE LAS AMINAS Las aminas como el amoníaco son bases relativamente débiles, mas 13

14 fuertes que el agua pero mucho más débiles que los iones hidróxido ( - OH), iones alcóxido (RO - ), etc. El par de electrones que ocupa el orbital completo no enlazado del amoníaco o una amina se puede donar a un átomo, ión o molécula deficiente en electrones. En solución acuosa, una amina se comporta como una base débil y acepta un protón del agua en una reacción reversible ácido-base. Los valores decrecientes de Pk b, corresponden a fuerzas básicas decrecientes. En la Tabla 8.1 se dan los valores k b para las aminas alistadas. Las mismas características estructurales que afectan a las fuerzas ácidas relativas de ácidos carboxílicos y fenoles influyen también en las fuerzas básicas relativas de las aminas. Cuando se examinan las constantes de basicidad de las aminas que se encuentran en la Tabla 8.1 se observa que la mayoría de las aminas primarias y secundarias alifáticas son bases ligeramente mas fuertes que el amoníacos 14

15 Esto puede explicarse con base a la capacidad de liberación de electrones de un grupo alquilo. Un grupo alquilo libera electrones y estabiliza al ión alquilamonio (o ácido conjugado) que se forma por la reacción ácido-base entre el agua y la amina. En consecuencia la basicidad aumenta en la serie: :NH 3 < R-NH 2 < R 2 NH, R 3 N Incremento de Basicidad Por otro lado, cuando se examinan las constantes de basicidad de las aminas aromáticas (anilina, p-toluidina, etc.) en la Tabla 8.1, se observa que son bases mucho más débiles que el amoníaco. La anilina tiene un pk b de 9.42 mientras que el del amoníaco es de 4.74 y el de una amina primaria como la ciclohexilamina es de 3.3. La causa de la baja basicidad de la anilina es que la carga positiva del catión anilinio no puede deslocalizarse en la nube aromática, pero sí puede hacerlo el par de electrones no-compartidos de la anilina (catión).. Por tanto, esta última se estabiliza con respecto al ácido conjugado 15

16 Además las anilinas sustituidas varían su basicidad de acuerdo a la naturaleza de los grupos sustituyentes. Un grupo donador de electrones ayudaría a estabilizar la carga positiva del ión anilinio haciéndola mas básica que la anilina, mientras que uno sacador de electrones desestabiliza el ión anilinio y disminuye la basicidad con respecto a la anilina no-sustituida. Es el caso de: Finalmente las aminas heterocíclicas aromáticas como la piridina son también bases más débiles que las aminas alifáticas debido a que el átomo de nitrógeno tiene hibridación sp 2 y al poseer mayor carácter s que un orbital sp 3, retiene con mas fuerza el par de electrones no compartidos haciéndola menos básica. 16

17 8.3.1 Sales de Aminas. Propiedades Cuando las aminas primarias, secundarias y terciarias reaccionan con ácidos se forman sales de amina: Estas son sales en el sentido verdadero; o sea, que son compuestos iónicos típicos. Todos son sólidos y tienen puntos de fusión relativamente altos, especialmente si se comparan con los puntos de fusión de las aminas correspondientes. Como las sales de amonio, las sales de amina (cloruros, bromuros, yoduros y sulfatos de alquilamonio) son solubles en agua. Así pues, una amina primaria, secundaria o terciaria insoluble en agua se disolverá en HCl, HBr, Hl o H 2 S0 4 acuoso. La solubilidad en agua proporciona un método químico conveniente 17

18 para distinguir las aminas de otros compuestos no-básicos que son insolubles en agua. La solubilidad en ácido acuoso también constituye un método útil para separar las aminas de compuestos no-básicos que son insolubles en agua. A su vez la amina libre se puede regenerar a partir de una de sus sales por tratamiento con base fuerte, generalmente NaOH. + RNH 3 Cl + OH > R-NH 2 + H 2 0 sal de amina amina libre Pero las sales de amonio cuaternarias, que carecen de protones ácidos, no sufren esta reacción, ni la reacción ácido-base con un ácido mineral acuoso porque no tienen un par de electrones no compartidos R 4 N + Cl - + OH > N.R R 4 N + Cl - + H-X(ac) > N.R. Sin embargo, los hidróxidos de amonio cuaternarios son bases fuertes. En forma sólida, o en solución, están compuestos en su totalidad por cationes cuaternarios de amonio (R 4 N + ) e iones hidróxído, OH - ; son por lo tanto, bases fuertes (tan fuertes como el hidróxido de sodio o de potasio). Los hidróxidos de amonio cuaternarios reaccionan con ácidos para formar sales de amonio cuaternarias: 18

19 (CH 3 ) 4 + NOH - + H-Cl > (CH 3 ) 4 NCl - + H 2 O Debido a la carga positiva en un ión amonio cuaternario, las sales cuaternarias de amonio presentan interesantes aplicaciones. Como un ejemplo, las sales de amonio cuaternarias con cadenas hidrocarbonadas largas se usan como detergentes. Ejercicio 8.3 Clasifique cada uno de los siguientes compuestos como amina 1 ria, 2 ria ó 3 ria, sal de amina 1 ria, 2 ria ó 3 ria o sal de amonio cuaternaria. Ejercicio 8.4 Muestre todos los tipos de enlaces de hidrógeno que pueden existir en a) dimetilamina pura y b) dimetilamina acuosa. Ejercicio 8.5 a) Explique por qué la piperidina es una base más fuerte que la morfolina: 19

20 Piperidina Morfolina pkb: b) Sin referirse a las tablas, ordénense los compuestos de cada conjunto según sus basicidades: i) etilamina, 2-aminoetanol, 3-amino-1-propanol ii) anilina, p-metoxianilina, p-cloroanilina Ejercicio 8.6 Indique un procedimiento para separar ciclohexilamina de ciclohexano utilizando HCl(dil), NaOH(ac) y éter. 8.4 REACCIONES DE LAS AMINAS Como el amoníaco, los tres tipos de aminas contienen nitrógeno con un par de electrones no-compartido de modo que estas presentan un comportamiento químico semejante a aquel en lo que se refiere a sus propiedades como bases que ya estudiamos (Sec. 8.3) y su acción nucleofílica (Secs y 8.4.2). Además las diferentes clases de aminas presentan una reactividad interesante con el ácido nitroso (HONO) (Sec ) y las aminas aromáticas sufren sustitución, electrofílica aromática. Por último, las sales cuaternarias de amonio sufren eliminación para formar un alqueno y una amina terciaria. 20

21 8.4.1 Aminas como Nucleófilos. Alquilación Muchos compuestos orgánicos halogenados se convierten en aminas primarias por tratamiento con soluciones acuosas o alcohólicas de amoníaco. La molécula de amoníaco tiene un par de electrones no-compartido y actúa como un nucleófilo frente a un halogenuro de alquilo El producto de la reacción es una sal de amina, que dá la amina libre por tratamiento con una base como NaOH: Las aminas 1 rias, 2 rias y 3 rias por su parte, también pueden reaccionar con los halogenuros de alquilo para dar aminas secundarias, terciarias y sales cuaternarias de amonio, respectivamente, reacción que se conoce como alquiiación de aminas. De hecho cuando se forma la sal de la amina primaria a partir de un halogenuro y el amoníaco, dicha sal puede intercambiar un protón con el amoníaco liberando la amina primaria, la que a su vez podría reaccionar con otra molécula de halogenuro de alquilo para dar una amina secundaria y así sucesivamente. 21

22 En general, sería posible alquilar exhaustivamente una amina primaria hasta la sal cuaternaria de amonio, Dado que se pueden formar todos estos productos, la reacción S N 2 de amoníaco o de una amina con un halogenuro de alquilo no se considera de gran interés sintético. Si se usa amoníaco o bien una amina muy barata, puede usarse un gran exceso a fin de favorecer la monoalquilación. Ejemplos Si lo que se desea es la sal de amonio cuaternaria, el proceso S N 2 puede ser también interesante, sólo que en este caso habrá de usarse un exceso del halogenuro de alquilo. 22

23 Otro aspecto que debe tenerse en cuenta en estas reacciones de sustitución es el orden de reactividad S N 2 lípico para los halogenuros de alquilo, esto es: CH 3 X > 1º > 2º Los halogenuros de alquilo terciarios no dan reacciones de sustitución a partir del amoníaco o las aminas, sino únicamente productos de eliminación. Síntesis de Gabriel de la ftalimida: La síntesis de Gabriel de la ftalimida es un proceso que permite obtener aminas primarias no contaminadas con secundarias y terciarias. El primer paso en la reacción es una sustitución S N 2 en la que se usa el anión de la ftalimida como nucleófilo. La amida se obtiene posteriormente por hidrólisis de la ftalimida sustituida resultante: La ftalimida se prepara calentando anhídrido ftálico con amoníaco. La sal de potasio se obtiene tratando ftalimida con KOH. Normalmente, no es tan fácil eliminar un protón de un nitrógeno amídico, pero en este caso la imida al igual que a otros compuestos β- dicarbonílicos, posee una acidez mas elevada debido a que el anión se estabiliza por resonancia. La ftalimida tiene un pk a de 9, y es por lo tanto, 10 veces mas ácida que el fenol 23

24 Finalmente el anión de la ftalimida de potasio ataca nucleofílicamente el halogenuro de alquilo para generar la N-alquiIftalimida. Esta última puede hidrolizarse en medio básico liberando la amina primaria, como se mostró arriba. Ejercicio 8.7 Indique la secuencia de reactivos que debe añadirse a la ftalimida de potasio para obtener a) n-propilamina b) alilamina c) bencilamína. Las aminas también reaccionan como nucleófilos en reacciones de sustitución nucleofílica en carbono acilo, con cloruros de ácido y anhídridos para formar amidas Eliminación de Hoffmann Cuando se caliente un hidróxido de amonio cuaternario (sólido), se produce una reacción denominada eliminación de Hofmann. Esta reacción es una eliminación del tipo E 2 en la cual el grupo saliente es una amina. Esta Eliminación generalmente da origen al llamado producto Hoffmann, que es el alqueno con el doble enlace menos sustituido, en contraste al alqueno mas sustituido (producto Saytseff) que se 24

25 produce con otros grupos salientes. Ejemplo: Ejercicio 8.8 Prediga los productos orgánicos principales cuando se calientan los compuestos siguientes: Reacciones de Aminas con Acido Nitroso. Formación de Sales Diazonio y Nitrosaminas Cada tipo de amina genera un producto diferente al reaccionar con el ácido nitroso, HONO. Este reactivo inestable se genera en presencia de la amina por acción de un ácido mineral sobre nitrito de sodio (HCl + NaNO 2 ) Aminas Primarias Alifáticas Las aminas primarias alifáticas reaccionan con ácido nitroso mediante una reacción llamada diazotización formando sales de 25

26 diazonio alifáticas, muy inestables. A temperatura ambiente, las sales diazonio alifáticas se descomponen en forma espontánea (explosiva) perdiendo nitrógeno y formando carbocationes. Estos últimos se transforman produciendo mezclas de alquenos, alcoholes y halogenuros de alquilo. Reacción General: Aminas Primarias Aromáticas Las aminas aromáticas primarias reaccionan con el ácido nitroso (generado "in situ") formando sales de aril diazonio. Aunque estas sales son también inestables, son mas estables que las sales de diazonio alifáticas y no se descomponen tan rápidamente si la temperatura de la mezcla de reacción se mantiene a menos de 5 C. Reacción General: 26

27 Las reacciones de diazotización de las aminas aromáticas primarías son de mucha importancia en síntesis orgánicas porque las sales diazonio dan un gran número de reacciones que pueden agruparse en dos clases: a) Reacciones de remplazo en los que se pierde el nitrógeno como N 2, quedando en su lugar otro átomo o grupo funcional. b) Reacciones de copulación en las que el nitrógeno queda retenido. En las reacciones de reemplazo es posible introducir al anillo aromático los siguientes sustituyentes: F, Cl, Br, I, CN, OH e H en el lugar que ocupaba el grupo diazonio. De otra forma, una amina 1 ria aromática se convertiría en su sal diazonio y esta podría transformarse de inmediato a diversos compuestos aromáticos. Como ya, se mencionó la mayoría de las sales de aril diazonio son inestables a temperaturas superiores a 5-10º C, además muchas explotan al secarse. Afortunadamente, las reacciones de sustitución del grupo diazonio no requieren que se aísle la sal 27

28 de diazonio. Simplemente basta agregar otro reactivo (CuCl, CuBr, KI, etc.) a la mezcla reaccionante, se calienta suavemente la solución y se efectúa la reacción de sustitución (acompañada por desprendimiento de nitrógeno). Sustitución del grupo diazonio con Cl, -Br o -CN. Reacción de Sandmeyer Las sales de aril diazonio reaccionan con cloruro, bromuro o, cianuro cuprosos (CuCl, CuBr o CuCN) para formar productos en los cuales el grupo diazonio ha sido sustituido por -Cl, Br y CN respectivamente. Estas reacciones se conocen en forma general como reacciones de Sandmeyer. Son ejemplos: 28

29 Sustitución con -I Las sales de aril diazonio reaccionan con yoduro de potasio formando productos en los cuales el grupo diazonio se ha sustituido con un átomo de yodo. Esta reacción es de gran importancia sintética ya que el átomo de yodo no puede introducirse el anillo aromático por yodación directa. Solo en la sustitución del grupo diazonio con -F es necesario aislar una sal de diazonio. Esto se hace adicionando ácido fluorobórico (HBF 4 ) a la mezcla reaccionante; así se logra que precipite el fluoroborato de diazonio, ArN + 2 BF4 - que se descompone por calentamiento en fluoruro de arilo, trifluoruro de boro (BF 3 ) y nitrógeno. Reacción General: Ejemplo: 29

30 Es el único método para introducir flúor al anillo aromático. Sustitución con -OH y H El grupo diazonio puede sustituirse con un grupo hidroxilo simplemente acidificando y calentando mucho la mezcla reaccionante: Por otro lado, las sales de aril diazonio reaccionan con ácido hipofosforoso (H 3 PO 2 ) o con etanol formando productos en los cuales el grupo diazonio se sustituye con un -H. Tal reacción es útil cuando es necesario remover el grupo amino de un anillo aromático al final de una síntesis donde el mismo grupo ha servido de orientados en la introducción de otros grupos. La reacción de copulación de las sales diazonio es una sustitución electrofilica aromática donde la sal diazonio que es un agente electrofílico débil reacciona con un anillo aromático fuertemente activado. El producto de la reacción es lo que se conoce como un compuesto azos Ar-N=N-Ar' 30

31 El sustituyente G del anillo aromático que sufre el ataque del ión diazonio electrofílico es un activador fuerte como -OH o un grupo amino (-NH 2, -NHR, -NR 2 ). Las aminas aromáticas reaccionan con las sales diazonio en soluciones ligeramente ácidas y los fenoles lo hacen en un medio levemente alcalino Ejemplos: Generalmente se prefiere la sustitución en posición para cuando la misma no está bloqueada. Los azocompuestos son sustancias intensamente coloreadas porque el enlace azo -N=Nproduce la conjugación de los dos anillos aromáticos, formando un sistema extenso de electrones α deslocalizados lo que permite la absorción de la luz en las regiones visibles. Debido a sus colores tan intensos (intensamente amarillos, naranjas, rojos, azules y aún verdes) y a que pueden obtenerse de compuestos relativamente baratos los compuestos azo se utilizan en gran cantidad como colorantes en 31

32 textiles y en la fabricación de pinturas. Los colorantes azoicos constituyen la clase mas numerosa e importante de los tintes, conociéndose en la actualidad miles de ellos. Un colorante se define como todo compuesto que absorbe luz en la región visible (o sea, es coloreado) y que posee la capacidad de adherirse por si mismo y con firmeza a un tejido. Deben estar presentes sustituyentes polares, como -SO 3 Na, -OH, -COOH y - NH 2, para que la molécula de colorante se adhiera a la superficie de las fibras polares (como el algodón o la lana), las cuales son de naturaleza glucídica* o proteica. Otros, son utilizados como indicadores ácido base en las valoraciones o titulaciones de un ácido o una base Aminas Secundarias Las aminas secundarias aromáticas y alifáticas reaccionan con ácido nitroso formando N-nitrosoaminas, las cuales se separan de la mezcla reaccionante como líquidos aceitosos de color amarillo. * de glúcido (o carbohidrato) 32

33 Reacción General: El ácido nitroso (HONO) se obtiene al tratar nitrito de sodio (NaNO 2 ) en ácido clorhídrico acuoso. Ejemplos Las nitrosoaminas son compuestos que presentan graves riesgos para la salud del hombre y se forman fácilmente en el cuerpo y en el ambiente. Este tema será tratado en la Sec Aminas Terciarias Las aminas terciarias alifáticas reaccionan con ácido nitroso 33

34 formando un compuesto N-nitrosoamonio (estable a temperaturas bajas) en equilibrio con la amina de partida: Reacción General Por su parte, las aminas terciarias aromáticas reaccionan con el ácido nitroso formando compuestos C-nitroso aromáticos. La nitrosación se efectúa casi exclusivamente en la posición para si está libre: en caso contrario, en la posición orto. Aquí el agente electrofílico es el ion nitrosonio, + NO. Reacción General: Ejemplo Sustitución Electrofílica Aromática Se sabe que los grupos -NH 2, -NHR y -NR 2 actúan como activadores poderosos y directores orto, para en la sustitución 34

35 aromática electrofílica. El intermediario que se forma con el anillo aromático después del ataque electrofílico de Y +, se estabiliza especialmente por la presencia del grupo amino con su par de electrones no-compartido, el cual ayuda a neutralizar la carga positiva. De este modo surgen las estructuras I y II: en las que el nitrógeno tiene una carga positiva y está unido al anillo con un doble enlace. Estas estructuras son muy estables debido a que en ellas todos los átomos (excepto el hidrógeno) tienen un octeto completo de electrones. Es posible que las estructuras I o II por sí mismas representen al intermediario del ataque orto o para respectivamente. Sin embargo, la sustitución electrofílica aromática de aminas presenta problemas, porque al ser tan reactivos la sustitución tiende a suceder en todas las posiciones orto o para, disponibles. Por ejemplo, la bromación ocurre sin catalizador con Br 2 35

36 acuoso: La nitración presenta inconvenientes porque el ácido nítrico no sólo nitra, sino que también oxida el anillo altamente reactivo, y así se produce una pérdida considerable de material en forma de alquitrán. La alquilación de Friedel-Crafts por otro lado, no puede efectuarse porque el grupo amino con su par de electrones no-compartido se acompleja con el catalizador de Lewis (AlCl 3 ) y no puede actuar. Ejercicio 8.10 Qué productos esperaría que se formaran cuando cada una de las siguientes aminas reacciona con nitrito de sodio acuoso y ácido clorhídrico? a) Propilamina c) N-Propilanilina b) Dipropilamina d) N,N-dipropilanilina e) p-propilanilina 36 Ayuda: Establezca primero si la amina es 1 ria, 2 ria ó 3 ria

37 Ejercicio 8.11 Complete las siguientes reacciones escribiendo la estructura producto (o productos) de las siguientes reacciones: Habría sido posible obtener el producto C, tolueno directamente? Explique. a través de bromación del 37

38 8.5 ANÁLISIS CUALITATIVO DE AMINAS Las aminas se caracterizan principalmente por su basicidad. Un compuesto insoluble en agua que se disuelve en ácido clorhídrico diluido y frío, o una sustancia soluble en agua (que no sea una sal), cuya solución acuosa azulea el tornasol, debe ser, casi con certeza, una amina (Sec. 8.3). el análisis elemental indica la presencia de nitrógeno. La mejor manera de saber si se trata de una amina primaria, secundaria o terciaria, es utilizando el ensayo de Hinsberg: se agita la amina con cloruro de bencenosulfonilo en presencia de hidróxido de potasio acuoso. Las aminas primarias y secundarias forman sulfonamidas sustituidas, mientras que las terciarias no, siempre que el ensayo se haga correctamente. 38

39 Observe que la sulfonamida de la amina 1ª tiene aún un hidrógeno ácido unido al nitrógeno. La reacción con KOH convierte esta amida en una sal soluble. La acidificación de esta solución regenera la amida insoluble. La sulfonamida disustituida de la amina 2ª no tiene hidrógeno ácido, por lo que permanece insoluble en la mezcla de reacción alcalina. La amina 3ª no reacciona con el cloruro de benceno sulfonilo y da un producto insoluble (la propia amina sin reaccionar) que se disuelve, al acidificar la mezcla. Como todo experimento, el ensayo de Hinsberg debe hacerse con cuidado y debe interpretarse inteligentemente. Entre otras cosas, puede haber reacciones colaterales engañosas si las proporciones de los reactivos no son adecuadas, o si la temperatura es muy alta, o si el tiempo de reacción es excesivo. El comportamiento frente al ácido nitroso (Sec ) es de alguna importancia en la determinación del tipo de amina. Particularmente característico es el comportamiento de aminas primarias aromáticas: el tratamiento con dicho reactivo las 39

40 convierte en sales de diazonio que dan compuestos azoicos intensamente coloreados, al ser reaccionados con β-naftol. Finalmente, entre los numerosos derivados útiles para identificar aminas se encuentran: amidas (por ej.: acetamidas, benzamidas o sulfonamidas) para aminas primarias y secundarias; sales cuaternarias de amonio (por ejemplo, las que derivan del cloruro de bencllo o del yoduro de metilo) para aminas terciarias. Ejercicio 8.12 Descríbanse métodos químicos sensibles para la separación de las siguientes mezclas, con recuperación de cada componente en forma esencialmente pura. a) trietilamina y n-heptano b) anilina y anisol c) Ph-NHCH 3 y PhN(CH 3 ) 2 d) acido n-caproico, tri-n-propilamina y ciclohexano e) o-nitrotolueno y o-toluidina e) benzonitrilo y N,N-dimetilanilina Indique exactamente lo que haría y observaría 40

41 8.6 TOXICIDAD DE N-NITROSOCOMPUESTOS O NITROSAMINAS Los N-Nitrosocompuestos mejor conocidos corno Nitrosaminas tienen la fórmula general: R-N-N=O R Y se forman cuando las aminas secundarias alifáticas reaccionan con ácido nitroso (Sec ) o con óxidos de nitrógeno (NO, N0 2, N 2 O 4, N 2 O 3 ). Dependiendo de los precursores y la presencia de catalizadores tales como ozono (0 3 ) e iones metálicos, las nitrosoaminas pueden formarse bajo condiciones acídicas, neutrales o alcalinas. Las nitrosoaminas son compuestos del ambiente ubicuos detectados en el aire, agua, humo de cigarrillo, carnes curadas, bebidas alcohólicas, cosméticos, pesticidas, fábricas de curtiduría y de neumáticos y aún en carros nuevos. Su formación in vivo está recibiendo gran atención y la magnitud de esta fuente puede ser de mas importancia para el hombre que las cantidades minúsculas consumidas en alimentos y bebidas, o las absorbidas a través de la piel de cosméticos y pesticidas. Aunque no existe evidencia directa que conecte la exposición a nitrosoaminas con cáncer en el hombre, las nitrosoaminas son potentes carcinógenos en animales. Alrededor de 130 compuestos N-nitroso se han ensayado como potenciales inductores de cáncer en una variedad amplia de animales. Mas de 100 han producido tumores en una o mas especies, y en uno o más órganos. 41