Amina
En química orgánica, las aminas son compuestos y grupos funcionales que contienen un átomo de nitrógeno básico con un par solitario. Las aminas son formalmente derivados del amoníaco, donde uno o más átomos de hidrógeno han sido reemplazados por un sustituyente como un grupo alquilo o arilo. (estas pueden llamarse respectivamente alquilaminas y arilaminas; las aminas en las que ambos tipos de sustituyentes están unidos a un átomo de nitrógeno pueden llamarse alquilarilaminas). Las aminas importantes incluyen aminoácidos, aminas biogénicas, trimetilamina y anilina; consulte Categoría: Aminas para obtener una lista de aminas. Los derivados inorgánicos del amoníaco también se denominan aminas, como la monocloramina (NClH 2).
El sustituyente –NH 2 se llama grupo amino.
Los compuestos con un átomo de nitrógeno unido a un grupo carbonilo, por lo que tienen la estructura R–CO–NR′R″, se denominan amidas y tienen propiedades químicas diferentes a las de las aminas.
Clasificación de las aminas
Las aminas se pueden clasificar según la naturaleza y el número de sustituyentes en el nitrógeno. Las aminas alifáticas contienen solo sustituyentes H y alquilo. Las aminas aromáticas tienen el átomo de nitrógeno conectado a un anillo aromático.
Las aminas, tanto alquilo como arilo, se organizan en tres subcategorías (ver tabla) según el número de átomos de carbono adyacentes al nitrógeno (cuántos átomos de hidrógeno de la molécula de amoníaco se reemplazan por grupos de hidrocarburo):
- Aminas primarias (1°): las aminas primarias surgen cuando uno de los tres átomos de hidrógeno en el amoníaco se reemplaza por un grupo alquilo o aromático. Las aminas alquílicas primarias importantes incluyen la metilamina, la mayoría de los aminoácidos y el agente amortiguador tris, mientras que las aminas aromáticas primarias incluyen la anilina.
- Aminas secundarias (2°): las aminas secundarias tienen dos sustituyentes orgánicos (alquilo, arilo o ambos) unidos al nitrógeno junto con un hidrógeno. Los representantes importantes incluyen la dimetilamina, mientras que un ejemplo de una amina aromática sería la difenilamina.
- Aminas terciarias (3°): en las aminas terciarias, el nitrógeno tiene tres sustituyentes orgánicos. Los ejemplos incluyen trimetilamina, que tiene un olor característico a pescado, y EDTA.
Una cuarta subcategoría está determinada por la conectividad de los sustituyentes unidos al nitrógeno:
- Aminas cíclicas: las aminas cíclicas son aminas secundarias o terciarias. Los ejemplos de aminas cíclicas incluyen el anillo de aziridina de 3 miembros y el anillo de piperidina de seis miembros. N -metilpiperidina y N -fenilpiperidina son ejemplos de aminas terciarias cíclicas.
También es posible tener cuatro sustituyentes orgánicos en el nitrógeno. Estas especies no son aminas sino cationes de amonio cuaternario y tienen un centro de nitrógeno cargado. Las sales de amonio cuaternario existen con muchos tipos de aniones.
Convenciones de nombres
Las aminas se nombran de varias maneras. Normalmente, el compuesto recibe el prefijo "amino-" o el sufijo "-amina". El prefijo " N -" muestra sustitución en el átomo de nitrógeno. Un compuesto orgánico con múltiples grupos amino se denomina diamina, triamina, tetraamina, etc.
Nombres sistemáticos para algunas aminas comunes:
Las aminas inferiores se nombran con el sufijo -amina. metilamina | Las aminas superiores tienen el prefijo amino como grupo funcional. Sin embargo, la IUPAC no recomienda esta convención, sino que prefiere la forma de alcanamina, por ejemplo, N-pentan-2-amina. 2-aminopentano(o, a veces: pent-2-il-amina o N-pentan-2-amina) |
Propiedades físicas
Los enlaces de hidrógeno influyen significativamente en las propiedades de las aminas primarias y secundarias. Por ejemplo, las aminas de metilo y etilo son gases en condiciones estándar, mientras que los alcoholes de metilo y etilo correspondientes son líquidos. Las aminas poseen un olor característico a amoníaco, las aminas líquidas tienen un olor distintivo a "pescado".
El átomo de nitrógeno presenta un par de electrones solitario que puede unir H para formar un ion de amonio R 3 NH. El par de electrones solitario está representado en este artículo por dos puntos arriba o al lado de la N. La solubilidad en agua de las aminas simples se ve reforzada por los enlaces de hidrógeno que involucran estos pares de electrones solitarios. Normalmente, las sales de compuestos de amonio presentan el siguiente orden de solubilidad en agua: amonio primario (RNH3) > amonio secundario (R2NUEVA HAMPSHIRE2) > amonio terciario (R 3 NH). Las aminas alifáticas pequeñas muestran una solubilidad significativa en muchos solventes, mientras que aquellas con grandes sustituyentes son lipofílicas. Las aminas aromáticas, como la anilina, tienen sus pares de electrones solitarios conjugados en el anillo de benceno, por lo que su tendencia a formar enlaces de hidrógeno disminuye. Sus puntos de ebullición son altos y su solubilidad en agua es baja.
Identificación espectroscópica
Normalmente, la presencia de un grupo funcional amina se deduce mediante una combinación de técnicas, que incluyen espectrometría de masas y espectroscopias de RMN e IR. Las señales de H RMN para las aminas desaparecen tras el tratamiento de la muestra con D 2 O. En su espectro infrarrojo, las aminas primarias exhiben dos bandas NH, mientras que las aminas secundarias exhiben solo una.
Estructura
Aminas de alquilo
 | ⇌ |  |
| Inversión de una configuración espacial de amina: Amina "flip-flop" como un paraguas volcado por el viento. El par de puntos representa el par de electrones solitario en el átomo de nitrógeno. |
Las aminas de alquilo presentan característicamente centros de nitrógeno tetraédricos. Los ángulos CNC y CNH se aproximan al ángulo idealizado de 109°. Las distancias CN son ligeramente más cortas que las distancias CC. La barrera de energía para la inversión de nitrógeno del estereocentro es de unas 7 kcal/mol para una trialquilamina. La interconversión se ha comparado con la inversión de un paraguas abierto en un fuerte viento.
Las aminas del tipo NHRR' y NRR′R″ son quirales: el centro nitrogenado lleva cuatro sustituyentes contando el par solitario. Debido a la baja barrera a la inversión, las aminas del tipo NHRR' no se pueden obtener con pureza óptica. Para las aminas terciarias quirales, NRR′R″ solo se puede resolver cuando los grupos R, R' y R″ están restringidos en estructuras cíclicas como las aziridinas N-sustituidas (las sales de amonio cuaternario son resolubles).
Aminas aromáticas
En las aminas aromáticas ("anilinas"), el nitrógeno suele ser casi plano debido a la conjugación del par solitario con el sustituyente arilo. La distancia CN es correspondientemente más corta. En la anilina, la distancia CN es la misma que las distancias CC.
Basicidad
Al igual que el amoníaco, las aminas son bases. En comparación con los hidróxidos de metales alcalinos, las aminas son más débiles (consulte la tabla para ver ejemplos de valores de K a de ácidos conjugados).
| Alquilamina o anilina | pKa de aminaprotonada | kb _ |
|---|---|---|
| Metilamina (MeNH 2) | 10.62 | 4.17 E-04 |
| Dimetilamina (Me 2 NH) | 10.64 | 4.37 E-04 |
| Trimetilamina (Me 3 N) | 9.76 | 5.75 E-05 |
| Etilamina (EtNH 2) | 10.63 | 4.27 E-04 |
| Anilina (PhNH 2) | 4.62 | 4.17 E-10 |
| 4-Metoxianilina (4-MeOC 6 H 4 NH 2) | 5.36 | 2.29 E-09 |
| N,N-Dimetilanilina (PhNMe 2) | 5.07 | 1.17 E-09 |
| 3-Nitroanilina (3-NO 2 -C 6 H 4 NH 2) | 2.46 | 2.88 E-12 |
| 4-Nitroanilina (4-NO 2 -C 6 H 4 NH 2) | 1.00 | 1.00 E-13 |
| 4-trifluorometilanilina (CF 3 C 6 H 4 NH 2) | 2.75 | 5.62 E-12 |
La basicidad de las aminas depende de:
- Las propiedades electrónicas de los sustituyentes (los grupos alquilo mejoran la basicidad, los grupos arilo la disminuyen).
- El grado de solvatación de la amina protonada, que incluye el impedimento estérico por los grupos en nitrógeno.
Efectos electronicos
Debido a los efectos inductivos, cabe esperar que la basicidad de una amina aumente con el número de grupos alquilo en la amina. Las correlaciones son complicadas debido a los efectos de solvatación que son opuestos a las tendencias de los efectos inductivos. Los efectos de solvatación también dominan la basicidad de las aminas aromáticas (anilinas). Para las anilinas, el par solitario de electrones en el nitrógeno se deslocaliza en el anillo, lo que resulta en una disminución de la basicidad. Los sustituyentes en el anillo aromático y sus posiciones relativas al grupo amino también afectan la basicidad como se ve en la tabla.
Efectos de solvatación
La solvatación afecta significativamente la basicidad de las aminas. Los grupos NH interactúan fuertemente con el agua, especialmente en los iones de amonio. En consecuencia, la basicidad del amoníaco aumenta en 10 por solvatación. La basicidad intrínseca de las aminas, es decir, la situación en la que la solvatación no es importante, se ha evaluado en la fase gaseosa. En la fase gaseosa, las aminas exhiben las basicidades previstas a partir de los efectos de liberación de electrones de los sustituyentes orgánicos. Así, las aminas terciarias son más básicas que las aminas secundarias, que son más básicas que las aminas primarias y, finalmente, el amoníaco es menos básico. El orden de pK b 's (básicos en agua) no sigue este orden. De manera similar, la anilina es más básica que el amoníaco en la fase gaseosa, pero diez mil veces menos en solución acuosa.
En disolventes polares apróticos como DMSO, DMF y acetonitrilo, la energía de solvatación no es tan alta como en disolventes polares próticos como agua y metanol. Por esta razón, la basicidad de las aminas en estos disolventes apróticos se rige casi exclusivamente por los efectos electrónicos.
Síntesis
De alcoholes
Las alquilaminas de importancia industrial se preparan a partir de amoníaco mediante alquilación con alcoholes:ROH + NH 3 → RNH 2 + H 2 O
De haluros de alquilo y arilo
A diferencia de la reacción de aminas con alcoholes, la reacción de aminas y amoníaco con haluros de alquilo se utiliza para la síntesis en el laboratorio:RX + 2 R′NH 2 → RR′NH + [RR′NH 2 ]X
En tales reacciones, que son más útiles para los yoduros y bromuros de alquilo, el grado de alquilación es difícil de controlar, de modo que se obtienen mezclas de aminas primarias, secundarias y terciarias, así como sales de amonio cuaternario.
La selectividad se puede mejorar mediante la reacción de Delépine, aunque rara vez se emplea a escala industrial. La selectividad también está asegurada en la síntesis de Gabriel, que implica la reacción de organohaluro con ftalimida de potasio.
Los haluros de arilo son mucho menos reactivos con las aminas y, por esa razón, son más controlables. Una forma popular de preparar arilaminas es la reacción de Buchwald-Hartwig.
De alquenos
Los alquenos disustituidos reaccionan con HCN en presencia de ácidos fuertes para dar formamidas, que pueden descarbonilarse. Este método, la reacción de Ritter, se utiliza industrialmente para producir aminas terciarias como la terc-octilamina.
La hidroaminación de alquenos también se practica ampliamente. La reacción es catalizada por ácidos sólidos a base de zeolita.
Rutas reductivas
A través del proceso de hidrogenación, los grupos funcionales insaturados que contienen N se reducen a aminas utilizando hidrógeno en presencia de un catalizador de níquel. Los grupos adecuados incluyen nitrilos, azidas, iminas, incluidas oximas, amidas y nitro. En el caso de los nitrilos, las reacciones son sensibles a condiciones ácidas o alcalinas, que pueden provocar la hidrólisis del grupo –CN. LiAlH 4 se emplea más comúnmente para la reducción de estos mismos grupos a escala de laboratorio.
Muchas aminas se producen a partir de aldehídos y cetonas mediante aminación reductora, que puede proceder catalítica o estequiométricamente.
La anilina (C 6 H 5 NH 2) y sus derivados se preparan por reducción de los nitroaromáticos. En la industria, el hidrógeno es el reductor preferido, mientras que en el laboratorio se emplean a menudo estaño y hierro.
Métodos especializados
Existen muchos métodos para la preparación de aminas, siendo muchos de estos métodos bastante especializados.
| Nombre de la reacción | Sustrato | Comentario |
|---|---|---|
| reducción de Staudinger | azida organica | Esta reacción también tiene lugar con un agente reductor como el hidruro de litio y aluminio. |
| reacción de Schmidt | Ácido carboxílico | |
| Reacción de Aza-Baylis-Hillman | Yo mismo | Síntesis de aminas alílicas |
| reducción de abedul | Yo mismo | Útil para reacciones que atrapan iminas intermedias inestables, como las reacciones de Grignard con nitrilos. |
| Degradación de Hofmann | Amida | Esta reacción es válida únicamente para la preparación de aminas primarias. Da buenos rendimientos de aminas primarias no contaminadas con otras aminas. |
| Eliminación de Hofmann | sal de amonio cuaternario | Tras tratamiento con base fuerte |
| reacción de leuckart | Cetonas y aldehídos | Aminación reductora con ácido fórmico y amoníaco a través de un intermedio de imina |
| Reacción de Hofmann-Löffler | haloamina | |
| Reacción de Eschweiler-Clarke | Amina | Aminación reductora con ácido fórmico y formaldehído a través de un intermedio de imina |
Reacciones
Alquilación, acilación y sulfonación, etc.
Aparte de su basicidad, la reactividad dominante de las aminas es su nucleofilia. La mayoría de las aminas primarias son buenos ligandos para que los iones metálicos formen complejos de coordinación. Las aminas se alquilan mediante haluros de alquilo. Los cloruros de acilo y los anhídridos de ácido reaccionan con aminas primarias y secundarias para formar amidas (la "reacción de Schotten-Baumann").
Análogamente, con cloruros de sulfonilo se obtienen sulfonamidas. Esta transformación, conocida como reacción de Hinsberg, es una prueba química para detectar la presencia de aminas.
Debido a que las aminas son básicas, neutralizan los ácidos para formar las correspondientes sales de amonio R 3 NH. Cuando se forman a partir de ácidos carboxílicos y aminas primarias y secundarias, estas sales se deshidratan térmicamente para formar las amidas correspondientes.
Las aminas sufren sulfatación tras el tratamiento con trióxido de azufre o fuentes del mismo:R 2 NH + SO 3 → R 2 NSO 3 H
Reacciones ácido-base
Las aminas de alquilo se protonan cerca de pH = 7 para dar un derivado de alquilamonio.
Diazotización
Las aminas reaccionan con el ácido nitroso para dar sales de diazonio. Las sales de alquildiazonio tienen poca importancia porque son demasiado inestables. Los miembros más importantes son derivados de aminas aromáticas como la anilina ("fenilamina") (A = arilo o naftilo):
Las anilinas y las naftilaminas forman sales de diazonio más estables, que pueden aislarse en forma cristalina. Las sales de diazonio experimentan una variedad de transformaciones útiles que involucran el reemplazo del grupo N 2 con aniones. Por ejemplo, el cianuro cuproso da los nitrilos correspondientes:
El arildiazonio se acopla con compuestos aromáticos ricos en electrones, como un fenol, para formar compuestos azoicos. Tales reacciones se aplican ampliamente a la producción de colorantes.
Conversión a iminas
La formación de iminas es una reacción importante. Las aminas primarias reaccionan con cetonas y aldehídos para formar iminas. En el caso del formaldehído (R' = H), estos productos normalmente existen como trímeros cíclicos.RNH 2 + R' 2 C=O → R' 2 C=NR + H 2 O
La reducción de estas iminas da aminas secundarias:R' 2 C=NR + H 2 → R' 2 CH–NHR
De manera similar, las aminas secundarias reaccionan con cetonas y aldehídos para formar enaminas:R 2 NH + R'(R″CH 2)C=O → R″CH=C(NR 2)R' + H 2 O
Visión de conjunto
A continuación se ofrece una descripción general de las reacciones de las aminas:
| Nombre de la reacción | producto de reacción | Comentario |
|---|---|---|
| alquilación de aminas | Aminas | El grado de sustitución aumenta |
| Reacción de Schotten-Baumann | Amida | Reactivos: cloruros de acilo, anhídridos de ácido |
| Reacción de Hinsberg | Sulfonamidas | Reactivos: cloruros de sulfonilo |
| Condensación de amina-carbonilo | Iminas | |
| oxidación orgánica | Compuestos nitrosos | Reactivo: ácido peroximonosulfúrico |
| oxidación orgánica | sal de diazonio | Reactivo: ácido nitroso |
| reacción de zincke | aldehído de zinc | Reactivo: sales de piridinio, con aminas primarias y secundarias |
| Degradación emde | Amina terciaria | Reducción de cationes de amonio cuaternario |
| Reordenamiento de Hofmann-Martius | Anilinas sustituidas con arilo | |
| reacción de Von Braun | organocianamida | Por escisión (solo aminas terciarias) con bromuro de cianógeno |
| Eliminación de Hofmann | alqueno | Producto de la eliminación β del carbono menos impedido |
| hacer frente a la reacción | alqueno | Similar a la eliminación de Hofmann |
| reacción de carbilamina | isonitrilo | Solo aminas primarias |
| Prueba de aceite de mostaza de Hoffmann | isotiocianato | Se utilizan CS2 y HgCl2 . El tiocianato huele a mostaza. |
Actividad biológica
Las aminas son ubicuas en biología. La descomposición de los aminoácidos libera aminas, famosas en el caso del pescado en descomposición que huele a trimetilamina. Muchos neurotransmisores son aminas, incluidas la epinefrina, la norepinefrina, la dopamina, la serotonina y la histamina. Grupos amino protonados (–NH3) son los restos cargados positivamente más comunes en las proteínas, específicamente en el aminoácido lisina. El ADN del polímero aniónico normalmente se une a varias proteínas ricas en aminas. Además, el amonio primario con carga terminal en la lisina forma puentes salinos con grupos carboxilato de otros aminoácidos en polipéptidos, que es una de las principales influencias en las estructuras tridimensionales de las proteínas.
Aplicación de aminas
Tintes
Las aminas aromáticas primarias se utilizan como materia prima para la fabricación de colorantes azoicos. Reacciona con ácido nitroso para formar sal de diazonio, que puede sufrir una reacción de acoplamiento para formar un compuesto azoico. Como los azocompuestos son muy coloreados, se utilizan ampliamente en las industrias de teñido, como por ejemplo:
- naranja de metilo
- Marrón directo 138
- Amarillo ocaso FCF
- ponceau
Drogas
Aproximadamente el 42% de los fármacos y candidatos a fármacos contienen grupos funcionales de amina:
- La clorfeniramina es un antihistamínico que ayuda a aliviar los trastornos alérgicos por resfriado, fiebre del heno, picazón en la piel, picaduras y picaduras de insectos.
- La clorpromazina es un tranquilizante que seda sin inducir el sueño. Se utiliza para aliviar la ansiedad, la excitación, la inquietud o incluso los trastornos mentales.
- La efedrina y la fenilefrina, como clorhidrato de amina, se utilizan como descongestionantes.
- La anfetamina, la metanfetamina y la metcatinona son aminas psicoestimulantes que figuran como sustancias controladas por la DEA de EE. UU.
- La tioridazina, un fármaco antipsicótico, es una amida que se cree que exhibe sus efectos antipsicóticos, en parte, debido a sus efectos sobre otras amidas.
- La amitriptilina, la imipramina, la lofepramina y la clomipramina son antidepresivos tricíclicos y aminas terciarias.
- La nortriptilina, la desipramina y la amoxapina son antidepresivos tricíclicos y aminas secundarias. (Los tricíclicos se agrupan por la naturaleza del grupo amino final en la cadena lateral).
- Las triptaminas y fenetilaminas sustituidas son estructuras básicas clave para una gran variedad de drogas psicodélicas.
- Los analgésicos opiáceos como la morfina, la codeína y la heroína son aminas terciarias.
Tratamiento de gases
La monoetanolamina acuosa (MEA), la diglicolamina (DGA), la dietanolamina (DEA), la diisopropanolamina (DIPA) y la metildietanolamina (MDEA) se utilizan ampliamente industrialmente para eliminar el dióxido de carbono (CO 2) y el sulfuro de hidrógeno (H 2 S) del gas natural y las refinerías. flujos de proceso. También se pueden utilizar para eliminar el CO2 de los gases de combustión y los gases de combustión y pueden tener potencial para reducir los gases de efecto invernadero. Los procesos relacionados se conocen como endulzamiento.
Agentes de curado de resina epoxi
Las aminas se utilizan a menudo como agentes de curado de resinas epoxi. Estos incluyen dimetiletilamina, ciclohexilamina y una variedad de diaminas como 4,4-diaminodiciclohexilmetano. Las aminas multifuncionales tales como tetraetilenpentamina y trietilentetramina también se usan ampliamente en esta capacidad. La reacción procede por el par solitario de electrones en el nitrógeno de la amina que ataca al carbono más externo en el anillo de oxirano de la resina epoxi. Esto alivia la tensión del anillo en el epóxido y es la fuerza impulsora de la reacción.
La seguridad
Las aminas simples de bajo peso molecular, como la etilamina, son sólo débilmente tóxicas con una LD50 entre 100 y 1000 mg/kg. Son irritantes para la piel, especialmente porque algunos se absorben fácilmente a través de la piel. Las aminas son una amplia clase de compuestos, y los miembros más complejos de la clase pueden ser extremadamente bioactivos, por ejemplo, la estricnina y la heroína.
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