Química universitaria — segundo año · Bachelor Year 2

23Aminas y compuestos nitrogenados

El pescado que ya no está fresco huele a trimetilamina, una pequeña amina volátil. Unas gotas de limón eliminan el olor: el ácido protona la amina, y el ion amonio formado, al ser un ion, no puede evaporarse. El par no enlazante del nitrógeno hace de las aminas bases y nucleófilos; unido a un carbonilo da iminas, a través de las cuales las proteínas llevan a cabo su química y los químicos fabrican aminas; y sobre un anillo aromático abre, mediante las sales de diazonio, el camino a los colorantes azoicos que dieron color al siglo XIX.

Lo que ya sabes

El volumen del primer año: ácidos y bases de Brønsted, $\mathrm pK_a$ y diagramas de predominio, nucleófilos y sustitución bimolecular, hemiacetales y acetales, dadores de hidruro, organomagnesianos, clase de un carbono. Capítulo 22: nitración, reducción de los nitroarenos. El volumen escolar: aminas y amidas.

Un puesto de pescado: entre el pescado se colocan limones partidos por la mitad. Su ácido convierte la trimetilamina del pescado en su ion amonio, no volátil.

23.1 Estructura y basicidad

Definición 23.1 (Clases de aminas)

Una amina es una amina primaria $\ce{RNH2}$ , una amina secundaria $\ce{R2NH}$ o una amina terciaria $\ce{R3N}$ según el número de grupos carbonados unidos al nitrógeno. Un ion amonio cuaternario $\ce{R4N+}$ tiene cuatro, y ningún par no enlazante.

El nitrógeno de una amina es aproximadamente tetraédrico, y el par no enlazante ocupa la cuarta posición. Una amina terciaria con tres grupos distintos es quiral en principio, pero no puede resolverse: la molécula se invierte pasando por una disposición plana, como un paraguas en el viento, miles de millones de veces por segundo a temperatura ambiente.

Proposición 23.2 (Basicidad)

En agua, las alquilaminas son bases más fuertes que el amoníaco ( $\mathrm pK_a$ de sus iones amonio cercano a 10 u 11, frente a 9.26), las arilaminas mucho más débiles (anilinio 4.60), y las amidas apenas básicas (etanamida protonada, unos $-0.6$ ).

Argumento. Los grupos alquilo ceden densidad electrónica al nitrógeno (efecto inductivo) y estabilizan la carga positiva del ion amonio. En agua también cuenta la solvatación por enlaces de hidrógeno: un ion con más enlaces $\ce{N-H}$ está mejor solvatado, y por eso el trimetilamonio (9.80) es un ácido más débil que el amonio, pero más fuerte que el dimetilamonio (10.73). En la anilina el par no enlazante está deslocalizado en el anillo y se pierde al protonarse; en una amida está deslocalizado sobre el oxígeno del carbonilo, y la protonación ocurre, débilmente, sobre el oxígeno. ∎

pK_a de los ácidos conjugados de algunas bases nitrogenadas a 25 C: cuanto más alto es, más fuerte es la base. — $\mathrm pK_a$ de los ácidos conjugados de algunas bases nitrogenadas a $25{}^{\circ}\mathrm{C}$ : cuanto más alto es, más fuerte es la base.

23.2 Las aminas como nucleófilos

Las aminas atacan a los halogenoalcanos por sustitución bimolecular. El producto, una amina más sustituida, es al menos tan nucleófilo como la de partida y compite por el halogenoalcano: la alquilación del amoníaco da una mezcla de aminas primarias, secundarias y terciarias y de la sal cuaternaria.

Proposición 23.3 (Polialquilación)

La alquilación directa del amoníaco o de una amina primaria da mezclas; solo la alquilación exhaustiva hasta la sal de amonio cuaternario es limpia.

Argumento. Cada alquilación deja un par no enlazante sobre un nitrógeno que el nuevo grupo alquilo hace más rico en electrones; el producto reacciona con el halogenoalcano restante a una velocidad comparable. Solo cuando al nitrógeno no le queda ningún par no enlazante, en $\ce{R4N+}$ , se detiene la secuencia. ∎

Las aminas primarias libres de sus parientes sobrealquilados se preparan de forma indirecta: por la vía de Gabriel (alquilación del nitrógeno de la ftalimida, que lleva un único hidrógeno ácido, y luego liberación de la amina), por reducción de un nitrilo, de una amida o de un compuesto nitro, o por aminación reductora (véase más abajo).

23.3 Iminas y enaminas

Definición 23.4 (Adición nucleófila)

Una adición nucleófila a un grupo carbonilo es el ataque de un nucleófilo al carbono carbonílico, que pasa a ser tetraédrico, mientras el enlace $\pi$ $\ce{C=O}$ se convierte en un par no enlazante sobre el oxígeno.

Definición 23.5 (Hemiaminales, iminas y enaminas)

Una amina primaria se adiciona a un aldehído o a una cetona dando un hemiaminal (un carbono que lleva $\ce{OH}$ y $\ce{NHR}$ ); su deshidratación da una imina $\mathrm{R_2C{=}NR'}$ . Una amina secundaria, que no puede formar una imina neutra, da tras la deshidratación una enamina $\mathrm{R_2C{=}CR{-}NR'_2}$ , con el doble enlace desplazado al carbono contiguo.

Formación de una imina: la adición nucleófila de la amina al carbonilo da el hemiaminal; la catálisis ácida convierte su OH en un grupo saliente (-OH2+), sale el agua y el par no enlazante del nitrógeno forma el doble enlace C=N. Todas las etapas son reversibles: el agua en exceso hidroliza de nuevo la imina. — Formación de una imina: la adición nucleófila de la amina al carbonilo da el hemiaminal; la catálisis ácida convierte su $\ce{OH}$ en un grupo saliente ( $\ce{-OH2+}$ ), sale el agua y el par no enlazante del nitrógeno forma el doble enlace $\ce{C=N}$ . Todas las etapas son reversibles: el agua en exceso hidroliza de nuevo la imina.

Proposición 23.6 (pH óptimo)

Las iminas se forman más deprisa en disolución ligeramente ácida, hacia pH 4 a 5.

Argumento. La primera etapa necesita la amina libre (su par no enlazante); un medio demasiado ácido protona la amina ( $\mathrm pK_a$ de unos 10) y elimina el nucleófilo. La deshidratación necesita ácido para protonar el grupo hidroxilo; a pH alto es lenta. La velocidad, producto de ambas necesidades, es máxima en un punto intermedio. ∎

Definición 23.7 (Aminación reductora)

Una aminación reductora convierte un compuesto carbonílico y una amina en una amina más sustituida formando la imina (o el ion iminio) y reduciéndola en el mismo recipiente, normalmente con cianoborohidruro de sodio $\ce{NaBH3CN}$ .

Proposición 23.8 (Selectividad de la aminación reductora)

A pH cercano a 6, el $\ce{NaBH3CN}$ reduce el ion iminio mucho más deprisa que el compuesto carbonílico, de modo que la amina se forma sin reducir el aldehído o la cetona a alcohol.

Argumento. El grupo ciano hace del $\ce{BH3CN-}$ un dador de hidruro débil, demasiado débil para un carbonilo neutro, pero suficiente para un ion iminio protonado, cargado positivamente, un electrófilo mucho mejor. ∎

23.4 Sales de diazonio

Definición 23.9 (Química del diazonio)

Un ion diazonio es un catión $\ce{R-N+ #N}$ . La diazotación convierte una amina aromática primaria en una sal de arildiazonio con nitrito de sodio y un ácido fuerte a 0– $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ . En una reacción de Sandmeyer, una sal de cobre(I) ( $\ce{CuCl}$ , $\ce{CuBr}$ , $\ce{CuCN}$ ) sustituye el grupo diazonio por Cl, Br o CN con pérdida de dinitrógeno. En un acoplamiento azoico, el ion diazonio, un electrófilo débil, ataca un anillo aromático activado para dar un compuesto azoico $\mathrm{Ar{-}N{=}N{-}Ar'}$ .

Proposición 23.10 (Estabilidad de los iones diazonio)

Las sales de arildiazonio pueden conservarse en disolución acuosa fría y utilizarse; los iones alquildiazonio pierden dinitrógeno de inmediato.

Argumento. El dinitrógeno es un grupo saliente excelente (una molécula muy estable, una gran ganancia de entropía). Con un grupo alquilo, la pérdida de $\ce{N2}$ deja un carbocatión, o bien el agua lo ataca directamente: el ion no sobrevive. Un catión arilo es muy inestable (un orbital $\sigma$ vacío en el plano del anillo, no estabilizado por el sistema $\pi$ ), y el enlace $\ce{C-N}$ del ion arildiazonio se refuerza por conjugación con el anillo: a baja temperatura persiste; si se calienta, se descompone, y el agua sustituye el grupo diazonio por $\ce{OH}$ . ∎

Reacciones de una sal de arildiazonio. El grupo N2+ se sustituye por un halógeno o por cianuro (Sandmeyer, sales de cobre(I)), por OH (agua caliente) o por H (ácido hipofosforoso), o se conserva en un acoplamiento azoico. — Reacciones de una sal de arildiazonio. El grupo $\ce{N2+}$ se sustituye por un halógeno o por cianuro (Sandmeyer, sales de cobre(I)), por $\ce{OH}$ (agua caliente) o por H (ácido hipofosforoso), o se conserva en un acoplamiento azoico.

Método 23.11 (Vías a través de una sal de diazonio)

Úsese el grupo amino (un fuerte orientador orto/para) para colocar otros grupos, y conviértase después a través de la sal de diazonio.
Sustitúyase por H para obtener disposiciones que la sustitución directa no puede dar (el 1,3,5-tribromobenceno a partir de la anilina).
Sustitúyase por CN y luego hidrolícese a ácido carboxílico: una vía hacia un $\ce{-COOH}$ sobre un anillo.

Método 23.12 (Preparar una amina)

Amina primaria sobre una cadena alquílica: vía de Gabriel, o reducción de un nitrilo (con un carbono más que el halogenoalcano usado para prepararlo) o de una amida.
Amina secundaria o terciaria: aminación reductora del compuesto carbonílico adecuado con la amina adecuada.
Amina aromática: nitración y luego reducción (hierro o estaño con ácido, o hidrogenación catalítica).

23.5 Nitrilos

Definición 23.13 (Nitrilo)

Un nitrilo es un compuesto $\ce{R-C#N}$ , que se prepara por sustitución de un halogenoalcano con cianuro o por una reacción de Sandmeyer.

Proposición 23.14 (Reacciones de los nitrilos)

Un nitrilo se hidroliza, en medio ácido o básico, a la amida y luego al ácido carboxílico; el hidruro de litio y aluminio lo reduce a la amina primaria $\ce{RCH2NH2}$ ; un organomagnesiano se adiciona a él una sola vez, y la hidrólisis de la imina formada da una cetona.

Argumento. El carbono del nitrilo es electrófilo, como un carbono carbonílico: el agua (activada por un ácido, o en forma de hidróxido) se adiciona a él, dando tras tautomería una amida, cuya hidrólisis se trata en el Capítulo 24. El hidruro se adiciona dos veces. Un organomagnesiano se adiciona una vez, dando un anión imina que no sigue reaccionando; el agua hidroliza después la imina a la cetona. ∎

Seguridad

La anilina y la N,N-dimetilanilina son tóxicas por contacto con la piel; el nitrito de sodio es tóxico y oxidante; el cianoborohidruro de sodio desprende cianuro de hidrógeno en medio ácido y debe usarse en una vitrina de gases. Las sales de diazonio secas pueden explotar: se mantienen siempre frías, en disolución, y se usan de inmediato.

23.6 Ejercicios

Ejercicio 23.1 ★

Dese la clase de: propan-1-amina, N-metiletanamina, trietilamina, cloruro de tetrametilamonio, anilina.

Solución

Solución de Ejercicio 23.1.

Primaria; secundaria; terciaria; sal de amonio cuaternario; primaria (aromática).

Ejercicio 23.2 ★

Ordénense por basicidad creciente: amoníaco, metilamina, anilina, etanamida.

Solución

Solución de Ejercicio 23.2.

Etanamida $<$ anilina $<$ amoníaco $<$ metilamina ( $\mathrm pK_a$ de los ácidos conjugados $-0.6$ , 4.60, 9.26, 10.66).

Ejercicio 23.3 ★

Dense la imina formada a partir de la ciclohexanona y la metilamina, y las condiciones.

Solución

Solución de Ejercicio 23.3.

N-Metilciclohexanimina, $\ce{C6H10=N-CH3}$ : amina y cetona en medio débilmente ácido (pH 4–5), eliminando el agua formada (agente desecante o destilación azeotrópica).

Ejercicio 23.4 ★

A partir del cloruro de bencenodiazonio, dense los productos con $\ce{CuBr}$ , con $\ce{CuCN}$ , con agua caliente y con fenol en medio básico.

Solución

Solución de Ejercicio 23.4.

Bromobenceno; benzonitrilo; fenol; 4-hidroxiazobenceno $\ce{C6H5-N=N-C6H4-OH}$ (acoplamiento en para respecto al grupo $\ce{O-}$ del fenóxido).

Ejercicio 23.5 ★★

¿Qué forma de la trimetilamina predomina a pH 7, y en qué proporción? Explíquese el limón, y cómo puede extraerse una amina de un disolvente orgánico hacia el agua.

Solución

Solución de Ejercicio 23.5.

$\mathrm pK_a = 9.80$ : a pH 7 la razón $[\ce{(CH3)3NH+}]/[\ce{(CH3)3N}] = 10^{2.8} \approx 630$ : predomina la forma protonada; el zumo de limón (pH cercano a 2) la protona prácticamente toda. Agitar una disolución orgánica de una amina con ácido acuoso diluido transfiere la amina, en forma de ion amonio, al agua; una base la libera de nuevo.

Ejercicio 23.6 ★★

Dese la enamina formada a partir de la ciclohexanona y la pirrolidina, y explíquese por qué una amina secundaria no puede dar una imina.

Solución

Solución de Ejercicio 23.6.

1-(Ciclohex-1-en-1-il)pirrolidina. Tras la adición y la pérdida de agua, el nitrógeno lleva una carga positiva (un ion iminio) y ningún hidrógeno que perder; se pierde en cambio un protón del carbono contiguo, que forma el enlace $\ce{C=C}$ .

Ejercicio 23.7 ★★

Prepárese la N-bencilpropan-2-amina $\ce{C6H5CH2NHCH(CH3)2}$ por aminación reductora: dense dos pares de reactivos posibles.

Solución

Solución de Ejercicio 23.7.

Benzaldehído con propan-2-amina, o propanona con bencilamina, cada pareja con $\ce{NaBH3CN}$ a pH cercano a 6.

Ejercicio 23.8 ★★

El benzonitrilo reacciona con bromuro de etilmagnesio y luego con ácido acuoso. Dese el producto.

Solución

Solución de Ejercicio 23.8.

Propiofenona (1-fenilpropan-1-ona), $\ce{C6H5COCH2CH3}$ : una sola adición da el anión imina, que se hidroliza a la cetona.

Ejercicio 23.9 ★★

Escríbase la síntesis de Gabriel de la hexan-1-amina y explíquese por qué no da amina secundaria.

Solución

Solución de Ejercicio 23.9.

Ftalimida potásica + 1-bromohexano: N-hexilftalimida; después la hidrazina (o una hidrólisis) libera la hexan-1-amina. El nitrógeno de la ftalimida alquilada no tiene par no enlazante disponible (está deslocalizado sobre dos carbonilos) ni le queda ningún $\ce{N-H}$ : no puede alquilarse una segunda vez.

Ejercicio 23.10 ★★★

Prepárese el 1,3,5-tribromobenceno a partir de la anilina.

Solución

Solución de Ejercicio 23.10.

El agua de bromo broma la anilina en las tres posiciones orto y para respecto al grupo amino: 2,4,6-tribromoanilina. La diazotación, seguida de $\ce{H3PO2}$ , sustituye el grupo amino por H: los tres bromos quedan entonces en posición 1,3,5 entre sí.

Ejercicio 23.11 ★★★

Diséñese un colorante azoico a partir de la 4-nitroanilina y el fenol: escríbanse la diazotación, el acoplamiento (posición y pH) y el producto.

Solución

Solución de Ejercicio 23.11.

4-Nitroanilina + $\ce{NaNO2}$ + $\ce{HCl}$ a 0– $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ : cloruro de 4-nitrobencenodiazonio. Acoplamiento con fenol en disolución débilmente básica (fenóxido, fuertemente activado) en la posición para respecto a $\ce{O-}$ : 4-[(4-nitrofenil)diazenil]fenol, $\ce{O2N-C6H4-N=N-C6H4-OH}$ , un colorante naranja.

Ejercicio 23.12 ★★★

El hidróxido de amonio cuaternario de la N,N-dimetilbutan-2-amina, calentado, da principalmente but-1-eno. Explíquese esta orientación de Hofmann, opuesta a la regla de Zaitsev del volumen del primer año.

Solución

Solución de Ejercicio 23.12.

El grupo trimetilamonio es un grupo saliente malo y voluminoso, y hace más ácidos y más accesibles los hidrógenos en $\beta$ del lado del $\ce{CH3}$ ; la base arranca un hidrógeno del carbono menos sustituido: but-1-eno, el alqueno menos sustituido (producto de Hofmann).

23.7 Problema: preparar el naranja de metilo

Problema 23.1

Problema de fin de semana — el ácido sulfanílico y su diazotación, el acoplamiento azoico con la N,N-dimetilanilina, el naranja de metilo como indicador, y el rendimiento

Datos: ácido sulfanílico (ácido 4-aminobencenosulfónico) $\ce{C6H7NO3S}$ ; naranja de metilo, la sal de sodio $\ce{C14H14N3NaO3S}$ ; $\mathrm pK_a$ de la forma ácida del naranja de metilo 3.47. Masas molares ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, S 32.06. Operación (datos de ejercicio): $5.00\,\mathrm{g}$ de ácido sulfanílico, rendimiento del 80 %.

Parte I — El ácido sulfanílico y la diazotación.

El ácido sulfanílico existe como ion dipolar (zwitterión). Dibújese.
¿Por qué se disuelve primero en una disolución de carbonato de sodio?
Escríbase la formación del ácido nitroso a partir del nitrito de sodio y el ácido clorhídrico.
Escríbase la diazotación del ion 4-sulfonatoanilinio.
¿Por qué se lleva a cabo la reacción a 0– $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?
¿Qué cantidad de nitrito de sodio se necesita para $5.00\,\mathrm{g}$ de ácido sulfanílico?
¿Por qué se comprueba la presencia de un ligero exceso de nitrito, y se destruye?

Parte II — El acoplamiento.

¿Por qué la N,N-dimetilanilina es un buen compañero?
¿En qué posición de su anillo ataca el ion diazonio, y por qué?
Escríbase el producto (como sulfonato).
¿Por qué se lleva a cabo el acoplamiento en disolución débilmente ácida y no fuertemente ácida?
¿Por qué debe hacerse luego básica la disolución para precipitar la sal de sodio?
¿Por qué el ion diazonio es un electrófilo débil, que solo reacciona con anillos activados?

Parte III — Un indicador.

¿De qué color es el naranja de metilo en medio básico, y en medio ácido?
¿Dónde capta un protón?
¿En qué intervalo de pH cambia de color?
¿Por qué el sistema conjugado extendido da un color visible?
¿Por qué la protonación desplaza la absorción?

Parte IV — Rendimiento.

Calcúlese la masa molar del ácido sulfanílico.
Calcúlese la del naranja de metilo (sal de sodio).
Calcúlese la cantidad de ácido sulfanílico utilizada.
Calcúlese la masa teórica de naranja de metilo.
¿Qué pérdidas explican un rendimiento inferior al 100 %?
Indíquese la masa de naranja de metilo obtenida a partir de $5.00\,\mathrm{g}$ de ácido sulfanílico con un rendimiento del 80 %.

Solución

Solución de Problema 23.1.

1. $\mathrm{{}^-O_3S{-}C_6H_4{-}NH_3^+}$ : el grupo sulfónico, ácido, ha protonado la amina. 2. El ion dipolar es poco soluble en agua; el carbonato desprotona el grupo amonio, dando el sulfanilato de sodio, soluble. 3. $\ce{NaNO2 + HCl -> HNO2 + NaCl}$ . 4.

\mathrm{{}^-O_3S{-}C_6H_4{-}NH_2 + HNO_2 + H^+ \to {}^-O_3S{-}C_6H_4{-}N_2^+ + 2\,H_2O} .

5. La sal de diazonio se descompone (en el fenol y $\ce{N2}$ ) cuando se calienta; el ácido nitroso también se descompone. 6. $5.00/173.19 = 28.9\,\mathrm{mmol}$ : $28.9\,\mathrm{mmol}$ de $\ce{NaNO2}$ , $1.99\,\mathrm{g}$ . 7. El ácido nitroso en exceso reaccionaría con el compañero de acoplamiento; se detecta con papel de almidón–yoduro y se destruye con urea o con ácido sulfámico. 8. Su anillo está fuertemente activado por el grupo dimetilamino, un dador potente. 9. En para respecto al $\ce{N(CH3)2}$ : orientación orto/para, y las posiciones orto están impedidas por los grupos metilo. 10. $\mathrm{{}^-O_3S{-}C_6H_4{-}N{=}N{-}C_6H_4{-}N(CH_3)_2}$ . 11. En ácido fuerte el grupo dimetilamino se protona: $\ce{-NH(CH3)2+}$ desactiva el anillo y el acoplamiento se detiene. 12. El producto se forma en su forma ácida protonada, en parte soluble; en medio básico el sulfonato de sodio, menos soluble en la disolución salina, precipita. 13. Su carga positiva está deslocalizada sobre el anillo y el nitrógeno terminal es un centro electrófilo pobre; solo reaccionan los anillos activados por $\ce{-O-}$ , $\ce{-OH}$ o $\ce{-NR2}$ . 14. Amarillo anaranjado en medio básico, rojo en medio ácido. 15. Sobre un nitrógeno del grupo azo (la forma protonada se estabiliza por conjugación con el grupo dimetilamino). 16. Hacia $\mathrm pK_a \pm 1$ : aproximadamente de 3.1 a 4.4, en torno a $\mathrm pK_a = 3.47$ . 17. Dos anillos y el grupo azo forman un sistema conjugado largo: la separación entre el nivel $\pi$ ocupado más alto y el vacío más bajo es pequeña (Proposición 16.15) y la absorción cae en el visible. 18. La protonación cambia la distribución de carga en el sistema $\pi$ y estrecha aún más la separación: la absorción se desplaza a longitudes de onda mayores, y el color pasa del amarillo al rojo. 19. $173.19\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 20. $327.33\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 21. $28.87\,\mathrm{mmol}$ . 22. $0.02887 \times 327.33 = 9.45\,\mathrm{g}$ . 23. La descomposición de la sal de diazonio, un acoplamiento incompleto, la solubilidad del producto en las aguas madres y en los lavados. 24. $0.80 \times 9.45 = \boldsymbol{7.56\,\mathrm{g}}$ de naranja de metilo.

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