DISCIPLINA Química da Vidaold.agracadaquimica.com.br/quimica/arealegal/outros/181.pdfPara você nomear oﬁcialmente uma amina, determine a cadeia de carbonos mais longa ligada ao

Carlos Roberto Oliveira Souto

Humberto Conrado Duarte

Química da VidaD I S C I P L I N A

Aminas

Autores

aula

08

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Ministro da EducaçãoFernando Haddad

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte

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Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da publicação na Fonte. UFRN/Biblioteca Central “Zila Mamede”

Souto, Carlos Roberto Oliveira.

Química da vida / Carlos Roberto Oliveira Souto, Humberto Conrado Duarte.

– Natal, RN, : EDUFRN, 2006.

372p. : il

1. Química orgânica. 2. Química da vida. 3. Compostos de carbono. I. Duarte, Humberto Conrado.

II. Título.

ISBN 978-85-7273-332-8 CDU 547RN/UF/BCZM 2006/84 CDD 661.8

Aula 08 Química da Vida 1

1

2

3

4

5

Objetivos

Apresentação

Nesta aula, você dedicará sua atenção a uma classe de compostos orgânicos nitrogenados: as aminas. Estudará as regras de classificação, a nomenclatura oficial, as propriedades físicas e as duas propriedades químicas mais importantes

das aminas, a basicidade e a nucleofilicidade. Ilustrações e exercícios visam a compreensão e o entendimento dos tópicos, assim como a importância das aminas no cotidiano, sobretudo, na vida humana.

Reconhecer e classificar aminas.

Aplicar as regras básicas da União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) para escrever o nome oficial de uma dada amina ou representar a estrutura a partir de um dado nome oficial.

Prever as propriedades físicas e justificar diferenças entre diferentes aminas e entre estas e outras funções.

Justificar diferenças de basicidade entre aminas.

Explicar a importância da basicidade para processos experimentais.

Aula 08 Química da Vida2

HO

HOOH

CH NHCH2 CH3

Epinefrina ou Adrenalina

HO

HOOH

CH CH2 NH2

Norepinefrina

Aminas e atividade biológica

Carbono, hidrogênio e oxigênio são os três elementos mais comuns em compostos orgânicos. Devido à ampla distribuição das aminas no mundo biológico, o nitrogênio é o quarto elemento mais comum em compostos orgânicos.

Aminas são compostos com um, dois ou três grupos alquila ou arila ligados ao átomo de nitrogênio. Como uma classe, aminas incluem compostos biológicos da maior importância, respondendo por várias funções em organismos vivos, como regulação biológica, neurotransmissores e defesa contra predadores. Por seu alto grau de atividade biológica, muitas aminas comuns são utilizadas como drogas ou medicamentos.

Como você já sabe, emoções fortes e adrenalina estão associadas. Dentre as aminasneurotransmissores, a adrenalina é secretada pelas glândulas adrenais sob condições de stress ou medo, preparando o organismo para enfrentar uma ameaça ou fugir.

Fatores sociais ou culturais podem contribuir para um nível elevado da adrenalina no seu dia-a-dia. Níveis elevados e persistentes de adrenalina estão associados com formas de distúrbios mentais, por resultarem em níveis elevados de norepinefrina. Isso porque níveis elevados de norepinefrina resultam em excitação e hiperatividade. Em concentrações muito elevadas, a pessoa passa ao estado maníaco, correndo sérios riscos.

Como você já sabe, a dieta devidamente balanceada mantém o organismo humano saudável pelo equilíbrio de seu metabolismo. Uma dieta desequilibrada pode provocar distúrbios perigosos. É possível que componentes em excesso na dieta venham a afetar o nosso estado mental, provocando o excesso de alguma amina em nosso metabolismo. Fenilalanina como aditivo alimentar e norepinefrina como metabólito, por exemplo, podem estar associadas, conforme a seqüência que segue.


C O

O

CH2

CH2 CH2 NH2

NH3CHHO

HOHO

HOOH

HO

+CH2 NH3CH

+

C O

O

CH CH2 NH2

Fenilalanina Tirosina (Melanina)

DopaminaNorepinefrina

váriasetapas

C H

N

CH2 CH2 CH2 NH2

- CO2

NH3

H

+

C O

O N

H

Triptofanoaminoácido essencial

Serotonina

(metabolismo)

Por sua vez, a carência de algum metabólito pode ser igualmente danosa, como por exemplo, a serotonina, outra amina associada com o nosso estado emocional. Baixos níveis desta desencadeiam ansiedade e depressão. Ela é liberada pelo metabolismo do triptofano, um aminoácido essencial que ingerimos através das proteínas. Observe na equação a seguir que o triptofano é convertido no metabólito serotonina pela perda de CO2.

Dietas equilibradas com proteínas e carboidratos permitem níveis sadios de serotonina, enquanto dietas concentradas em proteínas levam a baixos níveis dela. Isso porque proteínas apresentam, aproximadamente, apenas 1% de triptofano, o que o torna muito diluído entre os demais aminoácidos e insuficiente para alcançar o cérebro. Com a presença de carboidratos, ocorre a secreção da insulina, a qual promove a redução dos níveis da glicose e dos outros aminoácidos no nosso sangue. A redução dos níveis dos outros aminoácidos tem o efeito de concentrar, relativamente, o triptofano, facilitando o seu repasse para o cérebro.

A histamina é outra amina biologicamente ativa e gerada pelo metabolismo de um outro aminoácido essencial: a histidina. Ela é responsável pela dilatação de vasos capilares. Quando em níveis excessivos, provoca crises alérgicas requerendo medicamentos anti-histamínicos. O metabolismo converte a histidina em histamina pela perda de CO2,conforme a equação a seguir.


C HC H 2 NH 3

+

C OO

N

N

H

C H 2C H 2 NH 2

N

N

H

- CO2

Histidina Histamina

(metabolismo)

N

HON

CH

OH3C

CH2N CH3

OO

R2R1 O

- antimalárico (droga mais antiga)- flavorizante água tônica

QuininaMorfinaR1 = R2 = H

HeroínaR1 = R2 = COCH3

CodeínaR1 = CH3R2 = H

Casos suaves de envenenamento por alcalóides podem provocar estados psicológicos de agitação, euforia ou alucinações. Pessoas que experimentam tais efeitos, freqüentemente tornam-se dependentes desses alcalóides, vindo a falecer, na maioria das vezes, como conseqüência. Em 1999 já estimava-se nos EUA a morte de 400.000 pessoas por ano, vítimas dos alcalóides, incluindo a nicotina, a cocaína e alcalóides sintéticos, como a anfetamina.

Naturalmente, você conhece outros produtos nitrogenados naturais de forte influência social, que incluem a cafeína e a nicotina, causadores de dependência química. Em especial, a nicotina é responsável por um número elevado de morte e invalidez precoces. Drogas nitrogenadas sintéticas podem ser representadas pela anfetamina, um poderoso estimulante do sistema nervoso, e o diazepan, um tranqüilizante, representadas a seguir.

Alcalóides é o nome dado a um importante grupo de aminas biologicamente ativas, porque antigamente eram classificadas como “álcalis vegetais”, por serem suas soluções aquosas levemente básicas. Naturalmente, a maioria dessas aminas é biossintetizada por vegetais. Elas têm a função comprovada de proteger plantas contra insetos e animais por serem tóxicas. No entanto, acredita-se que atuem também como reserva de nitrogênio; reguladoras do crescimento, do metabolismo interno e da reprodução; como agentes de desintoxicação e transformação simples de outras substâncias nocivas ao vegetal e, ainda, proteção contra raios ultravioleta. Embora alguns alcalóides sejam utilizados pela medicina, principalmente como analgésicos, todos são tóxicos e, em certas dosagens, podem levar a óbito. Veja que os gregos escolheram a coniina para matar Sócrates, embora morfina, nicotina ou cocaína pudessem atender ao mesmo propósito. Observe, a seguir, ilustrações de alguns alcalóides.


Anfetamina (Benzedrina)2-Amino-1-fenilpropano

N

NN

NO

O

Cafeína

N

CH3

Nicotina

N

N

O

Diazepan

H2N

7N

1s 2 2s 2 2p3

(R) -etilmetilamina [estado de transição]

N

orbital sp3

CH3

CH2CH3

H

(S) -etilmetilamina

NH

orbital p

CH3

CH2CH3

N

orbital sp3

CH3

CH2CH3H

Estrutura das aminas

O átomo de nitrogênio tem número atômico 7, o que lhe confere a camada de valência com a distribuição eletrônica 2s2 2p3, ou seja:

Com três orbitais p semicompletos, o nitrogênio forma três ligações covalentes para completar o octeto eletrônico, incluindo o par de elétrons isolados do orbital completo. Para tanto, o nitrogênio adota a hibridação sp3.

Observe que uma amina com três substituintes diferentes é classificada como assimétrica(assunto a ser visto em detalhes na aula 7 – Estereoisomeria), devido ao seu par de elétrons não compartilhados ocupar um dos quatro orbitais. Com quatro orbitais em torno do átomo de nitrogênio, são possíveis dois arranjos espaciais diferentes. Apesar da possibilidade das duas estruturas com arranjos espaciais distintos, é impossível separá-las porque se interconvertem muito rapidamente em um fenômeno denominado inversão do nitrogênio, em que o par de elétrons não compartilhado move-se de uma face à outra da molécula. Observe que durante a interconversão o átomo de nitrogênio passa por um estado de transição planar, em que assume a hibridação sp2 e o par de elétrons ocupa um orbital p não híbrido.


C H3C H 2C H 2 N H

H

1 átomo de carbono ligadoao nitrogênio: amina primária

C H3C H 2 N H

C H 3

2 átomos de carbono ligadosao nitrogênio: amina secundária

C H 3 N C H 3

C H 3

3 átomos de carbono ligadosao nitrogênio: amina terciária

CH3CH2CH2

CH3

CH3

H2N NH2N H

H

NNH

Aminas alifáticas Aminas aromáticas ou Arilaminas

CH3CH2CH2

N NH

N

NN N

N

H

Aminas heterocíclicas Aminas heterocíclicas aromáticas

(R) -1,2,2-trimetilaziridina (S) -1,2,2-dimetilaziridina

NCH3

H3C

H3C

N CH3

CH3

H3C

Aminas em anéis pequenos não podem alcançar o estado de transição com o orbital híbrido sp2 do nitrogênio devido à tensão angular, e não apresentam o fenômeno.

Classificações das aminas

Para classificar uma amina, você deverá atentar para os três critérios a seguir.

1) Quanto ao número de átomos de carbono ligados ao nitrogênio, você classificará a amina como primária, secundária ou terciária.

2) Quanto à natureza do átomo de carbono ligado ao nitrogênio, alifática ou aromática.

Se um dos carbonos ligados ao nitrogênio for aromático, a amina é aromática.

3) Quanto à participação do átomo de nitrogênio em sistemas cíclicos, como heterocíclica ou, sendo o anel aromático, heterocíclica aromática (vide aula 4 – Aromáticos).


2-Metilpropan-1-amina(Isobutilamina)

NH 2

. .

Cicloexanamina(Cicloexilamina)

NH 2

. .

Butan-2-amina(s-Butilamina)

NH 2

. .

Metanamina(Metilamina)

Oficial:Comum:

Oficial:Comum:

C H 3NH 2

. .

Fenilmetanamina(Benzilamina)

Prop-2-en-1-amina(Alilamina)

2 -Metilpropan-2-amina(t-Butilamina)

C H 2 NH 2

. .NH 2

. .NH 2

. .

Butano-1,4-diamina

NH 2 NH 2

. .. .

N-Metil-etanamina(Etil-metilamina)

Oficial:Comum:

N-Etil-etanamina(Dietilamina)

N-Etil-propan-1-amina(Etil-propilamina)

NH

. .NH

. .NH

. .NH

. .

N-Propil-ciclopentanamina(Diciclopentilamina)

Nomenclatura das aminas

Para você nomear oficialmente uma amina, determine a cadeia de carbonos mais longa ligada ao nitrogênio, e substitua a terminação -o do nome oficial do hidrocarboneto correspondente por -amina, precedida pela localização do átomo de nitrogênio.

Para a nomenclatura comum, você simplesmente descreve os substituintes ligados ao nitrogênio por ordem alfabética, acrescentando a terminação -amina ao nome do último grupo.

Na seqüência, são apresentados exemplos segundo um critério de classificação.

Aminas alifáticas primárias

Aminas alifáticas secundárias

Aminas secundárias você considera como aminas primárias com um substituinte no átomo de nitrogênio, ou seja, N- substituída. O grupo principal define o nome da amina com localização do átomo de nitrogênio recebendo a menor numeração possível. Atente para que o substituinte de menor prioridade ligado ao nitrogênio seja explicitado e precedido da letra N, antes do nome principal.


N

N,N-Dietil-etanamina(Trietilamina)

N

N-Etil-N-metil-propan- 1-amina(Etil-metil-propilamina)

N

(2E,4E)-N-Etil-N-propil-hexa-2,4-dien-1-amina

NH 2

. .

Benzenamina(Anilina)

C H 3NH. .

N-Metilbenzenamina(N-Metilanilina)

NH 2CH 3

. .

4-Metilbenzenamina(p-Toluidina)

CH 3 O NH 2

. .

4-Metoxibenzenamina(p-Anisidina)

nome sistemático:(não sistemático):

NH 2

. .

Naftalen-2-amina(Naftalen-2-ilamina)

Antracen-1-amina(Antracen-1-ilamina)

NH 2

. .

Aminas alifáticas terciárias

Você considera como N,N-dissubstituídas. Os dois substituintes são descritos em ordem alfabética, casa um precedido de “N”.

Aminas aromáticas

Observe com atenção que quando o substituinte ligado ao átomo de nitrogênio for o anel benzênico, a amina recebe o nome não sistemático anilina, aceito como oficial. Seus derivados com um outro substituinte no anel são nomeados empregando-se os prefixos o-,m- e p- (vide aula 4). Nos casos de dois ou mais substituintes, a nomenclatura faz uso de números para indicar as posições, considerando o átomo de carbono ligado ao nitrogênio como posição 1. Alguns derivados da anilina têm nomes comuns aceitos como oficiais não sistemáticos, como a toluidina e a anisidina que apresentam um substituinte metil e metoxil, respectivamente, no anel.

Para aminas com outros anéis aromáticos, os nomes são dados pelo sufixo –amina ao nome do hidrocarboneto correspondente.

Aminas heterocíclicas

A nomenclatura para aminas heterocíclicas tem nomes próprios em função do anel, de insaturações e da presença de outros heteroátomos. Geralmente, são conhecidas por nomes históricos. Veja que o prefixo aza revela a presença do átomo de nitrogênio, substituindo um átomo de carbono em um anel.


N

H

Azaciclopropano(Aziridina)

Azaciclopentano(Pirrolidina)

Azacicloexano(Piperidina)

Azaciclobutano(Azetidina)

NH

. .N

H

. .

N

H

. .

1,4-Diazacicloexano(Piperazina)

N N HH.. ..

OH . .. .. .

H2NNH2 O H

O

. .. .. .

. ...

O H

O

N. .

. .

. ...

. .

2-Aminoetanol Ácido 3-aminopropanóico Ácido 5-(N-etil-N-metilamino)-heptanóico

N

H

NN

H

N

N

H

N NN

N

N

NH N

N

N

N

NH

Azaciclopenta-2,4-dieno(Pirrol)

1,2-Diazaciclopenta-2,4-dieno(Pirazol)

1,3-Diazaciclopenta-2,4-dieno(Imidazol)

1-Azabenzeno(Piridina)

1,2-Diazabenzeno(Piridazina)

1,3 -Diazabenzeno(Pirimidina)

1-Azaindeno(Indol)

1-Azanaftaleno(Quinolina)

Purina

Aminas heterocíclicas aromáticas

Esta classe inclui aminas integrantes de biomoléculas da maior importância. Devem ser destacadas imidazol e indol por serem parte das cadeias laterais de aminoácidos essenciais, histidina e triptofano, respectivamente. Desempenham importantes papéis como sítios catalíticos em reações enzimáticas. Piridina é o núcleo ativo do Dinucleotídeo Nicotinamida Adenina (NAD), o centro das reações redox dos metabolismos. Purina e pirimidina são as bases nitrogenadas dos ácidos nucléicos.

Na presença de outra função de maior prioridade (vide aula 5 – Álcoois), o átomo de nitrogênio é considerado como substituinte e descrito com o prefixo amino.


Atividade 1

1

2

3

Momento dipoloresultante

N

CH2

H

HR N

Represente e classifique as estruturas das oito aminas isoméricas com a fórmula molecular C4H11N.

Represente as fórmulas estruturais para as cinco aminas isoméricas que têm a fórmula molecular C7H9N e que contêm um anel benzênico.

Represente a fórmula estrutural do composto correspondente à fórmula molecular:

a) arilamina secundária, C7H9N

b) amina heterocíclica terciária C5H11N

c) arilamina terciária, C8H11N

d) arilamina primária trissubstituída, C9H13N

Propriedades físicas

Devido à maior eletronegatividade do átomo de nitrogênio em relação ao de carbono e de hidrogênio, as aminas são moléculas polares, com o pólo negativo sobre o átomo de nitrogênio e os positivos sobre os átomos de carbono e hidrogênio.


Composto pe oC Tipo Massa Molar

CH3CH2CH2CH2—NH2 78 amina 1a 73

CH3CH2—NH—CH2CH3 56 amina 2a 73

(CH3)3C—NH2 46 amina 1a 73

(CH3)3N 3 amina 3a 59

CH3—O—CH2CH3 8 éter 60

CH3—NH—CH2CH3 37 amina 2a 59

CH3CH2CH2—NH2 48 amina 1a 59

CH3CH2CH2—OH 97 álcool 60

N

H

R1

R2 N

H

R2

R1

_+

ligação hidrogênio

A polaridade da ligação N—H é suficiente para a formação de ligação hidrogênio(vide aula 1 – Introdução à Química Orgânica) através do átomo de hidrogênio (pólo positivo) e o par de elétrons não compartilhados do átomo de nitrogênio. Enquanto aminas primárias e secundárias formam ligações hidrogênio, as terciárias não formam, pela inexistência de ligação N-H. Por esse motivo, têm pontos de ebulição menores que as primárias e secundárias de massa molar similar.

A cadeia carbônica é determinante quanto às forças de atração intermoleculares, mesmo com a ocorrência de ligações hidrogênio. Cadeias lineares permitem o máximo das forças de London pela sua maior superfície de contato e somam-se às ligações hidrogênio. Ramificações reduzem essas forças, dificultando o contato entre as cadeias. Você pode concluir, portanto, que aminas com cadeias ramificadas apresentam pontos de ebulição menores. Similarmente, aminas secundárias apresentam cadeias mais curtas que as primárias com alguma perda de forças de London, além de, adicionalmente, ligações hidrogênio limitadas a apenas uma ligação N—H. Portanto, você também pode concluir que aminas secundárias apresentam pontos de ebulição menores que as primárias.

Como a eletronegatividade do átomo de nitrogênio é menor que a do átomo de oxigênio, a ligação N-H tem menor polaridade que a O-H, conseqüentemente, as aminas formam ligações hidrogênio mais fracas que os álcoois. Por essa razão, as aminas têm pontos de ebulição menores que os álcoois. Porém, as aminas primárias e secundárias, por formarem ligações hidrogênio, têm pontos de ebulição superiores aos dos éteres.

Os dados a seguir permitem que você perceba essas diferenças em forças de atração intermoleculares. Veja que a massa molar deve ser comparável.


Atividade 2

1

2

N

H

R1

R2

O

H

H+

+O

H

H_

_ligação hidrogênio

H2N H2NNH2NH2

Putrescina Cadaverina

Todas as aminas formam ligação hidrogênio com solventes hidroxílicos como água e álcoois. As aminas terciárias formam a ligação unicamente através da interação entre o par de elétrons do nitrogênio e o próton da ligação O—H. Portanto, tendem a ser solúveis em álcoois e, com até seis átomos de carbono, são solúveis em água.

A propriedade mais naturalmente notória das aminas é o odor característico de peixe. Algumas são particularmente pungentes, como as diaminas seguintes cujos nomes descrevem seus odores.

Explique as diferenças nos pontos de ebulição entre a butan-1-amina 78oC, o pentano 36oC e o butan-1-ol 117oC.

Explique a diferença de solubilidade em água entre:

i) CH3CH2CH3 e CH3CH2NH2

ii) CH3NH2 e CH3(CH2)5CH2NH2


Sal de amônio(ácido conjugado)

N

H

R1R2

H Cl+

Base

N

H

R1R2

H Cl+

+

N

H

R1

R2

H O H N

H

R1

R2

H O H

_

++

Hidróxido de amônioBase

+

OH HN

H

R1

R2

H+

+ N

H

R1

R2

OH

H

H++

Basicidade das aminas

Uma amina é uma base de Lewis ou de Brosnted-Lowry (vide aula 1) porque o par de elétrons não compartilhados sobre o átomo de nitrogênio pode aceitar um próton de um ácido, formando um sal de amônio.

Devido à alta polarização da ligação O—H na molécula da água e à menor eletronegatividade do átomo de nitrogênio em relação ao do oxigênio, uma amina pode retirar um próton da água utilizando seu par de elétrons não compartilhados. Assim, transforma-se em um íon amônio e libera um íon hidróxido, gerando soluções aquosas básicas.

A constante de equilíbrio para essa reação é expressa como

RN H HOH O RNH

Os valores são de ordem de grandeza inferior a 1 x 10 –3, o que permite assumir que a concentração da água [H2O] permance constante em 55,5 mol/L, já que 1 L de água tem 1000 gramas e o Mol de água é igual a 18 grama/Mol.

Devido às ordens de grandeza com potências negativas, as constantes de basicidade são usualmente expressas como o logaritmo negativo, chamado de pKb. Por exemplo, para uma amina com Kb= 1,0 x 10 –3

pKb = (-log 1,0) + (-log 10 –3) = (0) + –3 (-log 10) pKb = 3

Enquanto as aminas apresentam basicidade, íons amônio apresentam acidez devido à carga positiva sobre o átomo de nitrogênio, que aumenta sua eletronegatividade.


Amina Amônio

R NH3+ H2O

R

Ener

gia

NH3+ -OH

+

N

H

H

R H

H O+ -N

H

H

R H

H O

Valores de pKa de íons amônio são relacionados aos de pKb das respectivas aminas.

Essa relação permite que os valores de Ka ou pKa de íons amônios sejam convertidos em Kb ou pKb de suas aminas correspondentes. Para aminas, quanto maior o Kb, menor o pKb e maior a basicidade; em contrapartida, menor será o Ka, maior o pKa e menor a acidez do íon amônio correspondente. Em outras palavras, o íon amônio de uma amina tem acidez inversamente proporcional à basicidade da mesma.

A formação do amônio é a conversão de uma molécula neutra em uma espécie com carga elétrica, por conseguinte, de energia mais alta. Você deve atentar para o fato de que a carga é admitida pelo nitrogênio, mais eletronegativo que o carbono, não apropriado para suportar carga positiva.

Fatores estruturais que estabilizem o íon amônio em relação à amina deslocam o equilíbrio da reação favorecendo a formação do mesmo, conferindo maior basicidade à amina. Por sua vez, fatores estruturais que estabilizem a amina dificultam a formação do íon amônio e o equilíbrio permanecerá mais deslocado no sentido da amina, como uma base mais fraca.

Os substituintes definem a basicidade das aminas através dos efeitos eletrônicos de indução e de ressonância. Grupos alquila são elétrons-doadores por efeito indutivo, simbolizado por +I, que você já estudou e é devido à diferença de eletronegatividade na ligação C—N. Com a carga positiva, o átomo de nitrogênio tem sua eletronegatividade ainda maior e atrai os elétrons da ligação sigma Calquila—N para uma maior proximidade, diminuindo a energia potencial do íon. Esse efeito é de estabilização do íon amônio, favorecendo sua formação e, como conseqüência, a basicidade sobre o átomo de nitrogênio.

log log log log


Amina kb

CH3—NH2 4,3 x 10 - 4

CH3CH2—NH2 4,4 x 10 – 4

CH3CH2CH2CH2—NH2 4,8 x 10 – 4

CH3— NH—CH3 5,3 x 10 – 4

CH3CH2—NH—CH2CH3 9,3 x 10 – 4

(CH3)3N 5,5 x 10 - 5

NH2

NH2

Menor estabilização do íonanilínio pela ressonância

Maior estabilização daanilina pela ressonância + H2O

+ H2O

NH3+ OH

+ -

NH3+ OH

+ -

Enta

lpia

H°1

H°2 > H°1

H°2

1

2

Amina Amônio

NH3+ H2O

CH3 NH2+ H2O CH3 NH3

+ HO-

NH4+ HO-

+

+

pKa= 4,74

pKa= 3,36

Você poderia pensar que um segundo e um terceiro grupo alquila substituinte no nitrogênio aumentariam a basicidade, como seria de se esperar, mas isso não se observa porque os efeitos eletrônicos favoráveis são contrapostos por outros contrários sobre a solvatação. Os íons amônio são fortemente solvatados pela água, o que é muito importante para a estabilidade e formação dos mesmos já que a solvatação tem efeito de dispesão sobre a carga no heteroátomo. Com mais um grupo alquila, apolar e hidrofóbico, ligado ao átomo de nitrogênio, essa solvatação é prejudicada. Portanto, aminas primárias, secundárias e terciárias apresentam faixas similares de basicidade. Compare os valores de basicidade, apresentados a seguir.

As aminas aromáticas são cerca de um milhão de vezes menos básicas que as alifáticas. Tal fato é justificado pela maior energia requerida para a formação do íon anilínio em relação ao íon amônio. A conjugação do par de elétrons do nitrogênio com o sistema estabiliza as aminas aromáticas, baixando a energia a um nível menor que o das aminas alifáticas. Maior a estabilidade, menor a basicidade. A ilustração no gráfico que segue compara as variações de energia nas protonações da cicloexanamina, formando o cicloexilamônio, e da anilina formando o íon anilínio.

Gráfico 1 - Comparação entre as variações de energia nas protonação da cicloexanamina


+

__

1 2 3 4 5

+NH3

NH2

+NH2

+NH2

NH2NH2 NH3

+

Íon anilínioapenas 2 formas de ressonância

AnilinaAminaaromática

Estrutura

4,0 x 10 -10Basicidade: Kb 4,0 x 10 -13

p - Toluidina

1,2 x 10 -9

p - Cloroanilina p - Nitroanilina

1,0 x 10 -10

NH2 NH2H3C NH2Cl

Anisidina

2,0 x 10 -9

NH2NH2OH3C O2N

Anilina

estabilizada pela sobreposição orbital

N

HH

+N

HH

H

H+

Íon Anilínio

perda da sobreposição orbital

Para a anilina, você pode escrever as cinco formas de ressonância, a seguir, para representar essa movimentação eletrônica. Porém, para o íon anilínio você pode escrever apenas 2!

No íon anilínio, a estabilização molecular promovida pela deslocalização do par de elétrons pelo anel é impossibilitada, já que estes estão participando da nova ligação com próton, conforme ilustra a figura seguinte, daí o salto de energia maior em relação ao íon amônio.

Essa redução no número de formas de ressonância pela formação do íon anilínio implica um nível maior de energia.

Você pode dizer que o substituinte arila estabiliza a amina, é contrário à formação do íon anilínio e reduz a basicidade do nitrogênio, diferentemente de um grupo alquila.

Observe pelos dados seguintes que substituintes no anel aromático exercem pequena influência sobre a basicidade, com exceção dos elétron-aceptores fortes e com efeito de ressonância -R, sobretudo, quando nas posições orto ou para, que atuam com acentuado efeito redutor da basicidade.

A p-nitroanilina tem uma basicidade cerca de um bilhão de vezes menor que as aminas alifáticas e cerca de mil vezes ainda menor que a da anilina. O efeito do grupo nitro é o de reforçar a deslocalização do par de elétrons do nitrogênio aumentando a ressonância e, por conseguinte, a estabilidade da amina.


NO

O_

+N

O

O

_

_++

H2NH2N

N HN

N

PirrolidinaHeterociclo

Estrutura

1,9 x 10 -3

Pirrol

1,0 x 10 -15

Imidazol

8,9 x 10 -8

Piridina

1,8 x 10 -9

Piperidina

1,3 x 10 -3Basicidade: Kb

N H N H N H

Pirrol tem duasposições equidistantesdo nitrogênio eequivalentes: e N

H

+

_

N

H

+

_

N

H

N

H

+

_

Apenas duas formas de ressonância

Três formas, maior distribuição dacarga, menor energia de cátion

H +

N

H

H +

N

H

HH

+N

H

HH

+N

H

H

H

+

N

H

H

H

+N

H

H

H+

A pirrolidina e a piperidina têm basicidades similares às aminas alifáticas secundárias, com o átomo de nitrogênio em hibridação sp3, com os mesmos efeitos de dois grupos alquila.

O destaque é para o pirrol, cerca de um trilhão de vezes menos básico que a pirrolidina. No pirrol, o átomo de nitrogênio tem hibridação sp2, enquanto na pirrolidina sp3 com maior caráter p e menor atração do núcleo pelos seus elétrons. Mas, os efeitos de ressonância é que respondem pela redução da basicidade do pirrol, deslocalizando seu par de elétrons pelo anel para compor o sexteto eletrônico , que faz do anel um sistema aromático segundo a regra de Huckel (vide aula 4).

Observe também que entre as aminas heterocíclicas há grande diferença de basicidade, sendo as aromáticas bases muito mais fracas.

Devido a essa deslocalização do par de elétrons, o átomo de nitrogênio suporta uma deficiência eletrônica e torna-se incapaz de receber um próton. As formas de ressonância mostram que os átomos de carbono do anel acumulam elétrons, definindo o centro de basicidade da molécula. Em meio ácido, o próton irá ser abstraído pelo carbono do anel. A ligação do próton com o carbono não é preferencial porque gera um cátion de energia mais alta por apresentar um menor número de formas de ressonância, o que significa uma menor dispersão da carga positiva.


N. .

H+

N

H

+ . .N

H

+ . .N

H

+

N

H

+. .

íon piridínio

Cátion imidazolio

- estruturas idênticas- carga dividida sobre 2 nitrogênios- aromaticidade preservada

N

N

H

N

N

H

N

N

H

H

+

H+ +H

O cátion imidazolio é de menor energia que o pirrolínio, portanto, mais estável, com maior facilidade de formação e, ainda, com menor acidez como um ácido conjugado, o que reduz o equilíbrio no sentido da base livre.

A piridina, embora com um único átomo de nitrogênio, é um anel de seis membros. Seu par de elétrons não integra o sistema aromático e, portanto, não é deslocalizado. Em meio ácido, é esse par de elétrons que recebe o próton formando um cátion aromático, chamado piridínio, já que não foram utilizados elétrons do sistema . A carga positiva é deslocalizada pelo anel sobre os átomos de carbono menos eletronegativos que o nitrogênio, contribuindo para a menor energia do cátion.

A piridina tem basicidade próxima à do imidazol, porém, muito menor que a piperidina com o átomo de nitrogênio em hibridação sp3.

Pirrol e imidazol diferenciam-se das demais aminas por apresentarem acidez na ligação N—H , ou seja, ambos apresentam propriedade anfotérica. Entretanto, a acidez de ambos é reduzida e a remoção do próton só pode ser realizada com uma base muito forte ou com metais alcalinos.

Entretanto, o fator principal para a basicidade tão reduzida do pirrol é a perda da estabilização aromática com a protonação. O anel não dispõe mais do sexteto eletrônico para atender à Regra de Huckel (vide aula 4), além de concentrar a carga sobre o heteroátomo mais eletronegativo que o carbono aumentando a energia do íon.

Embora também um anel de cinco membros, o imidazol é aproximadamente noventa milhões de vezes mais básico que o pirrol. Isso porque o segundo átomo de nitrogênio tem seu par de elétrons livre, por não ser necessário para completar o sistema , e pode receber o próton. Sem interagir com o sistema , o imidazol em meio ácido forma um cátion aromático com energia muito menor, o qual ainda se beneficia com a divisão igualitária da carga entre dois átomos de nitrogênio, em condição mais favorável que no pirrol, que se concentra em um único.


Atividade 3

1

2

3

- estruturas equivalentes; - carga dividida entre 2 heteroátomos - estruturas não equivalentes; - apenas 1 heteroátomo para a a carga

N

N

H

N

N

N

NK

. .. .. .

. .. . . .

. .

..

_

_

K+

- 1/2 H 2N

H

N N

K. . . .

. ._

K +. .

. .

_

- 1/2 H 2

O imidazol também é um ácido mais forte que o pirrol, por gerar um ânion em que a carga negativa pode ser melhor distribuída igualmente sobre dois átomos de nitrogênio ao invés de apenas um, como no ânion do pirrol. Dessa forma, o ânion do imidazol tem menor energia e maior facilidade de formação.

Portanto, o imidazol tem maior caráter anfotérico que o pirrol.

Sais de amônio

As aminas formam sais de amônio na presença de ácidos ou de reagentes alquilantes.

Os sais de amônio são classificados em função do número de substituintes ligados ao átomo de nitrogênio em primários, secundários, terciários e quaternários. São nomeados declarando-se o “ânion” seguido da palavra “de” e os substituintes em ordem alfabética, com acréscimo do sufixo –amônio no nome do último.

Na presença de ácidos protônicos, as aminas apresentam basicidade – a propriedade de compartilhar seu par de elétrons com o próton. Confira com estas equações:

Justifique o fato das aminas serem mais básicas que os álcoois.

As aminas alifáticas apresentam grande diferença de basicidade em relação às aromáticas. Comente.

Explique as diferenças de basicidade entre pirrol e a piridina e entre pirrol e imidazol.


N

H

CH 3

H

N

H

CH 3

H

H

Cl_

+ HCl + N

H

CH 3

C H 3C H 2

N

H

CH 3

C H 3C H 2

H+ HBr +

Br_

N

C H 3C H 2C H 2

CH 3

CH 3

HN

C H 3C H 2C H 2

CH 3

CH 3

+ H 2SO 4+

HSO 4

_

Cloreto de metilamônioAmônio primário

Brometo de etil metilamônioAmônio secundário

Bissulfato de etil metil propilamônioAmônio terciário

N

CH3CH2CH2 CH3CH2CH2

CH3CH2 CH3CH2

H3C H3CBF3

BF3 N++ _

Ácidode Lewis

N

CH3CH2CH2CH3CH2CH2

CH2CH2CH2CH3 CH2CH2CH2CH3

CH3CH2 CH3CH2

H3C H3CBr+

Reagente alquilante

N

Br+

Sal de amônio quaternário

Na presença de eletrófilos, que você conhece como espécies com filia ou avidez por elétrons, pois apresentam átomos deficientes eletronicamente, ou polarizados positivamente por efeitos eletrônicos de substituintes, as aminas apresentam outra importantíssima propriedade denominada nucleofilicidade. A amina compartilha seu par de elétrons com esses núcleos, estabelecendo uma nova ligação em substituição àquela com o átomo polarizador, que abandona a espécie e por isso recebe o nome de grupo abandonador ou de saída. O par de elétrons da amina substitui os elétrons retirados pelo grupo abandonador. Ao compartilhar seu par de elétrons com o núcleo, a amina converte-se em íon amônio, com o átomo de nitrogênio assumindo uma carga positiva por estabelecer uma quarta ligação covalente com um novo grupo alquila, processo denominado alquilação.

Com ácidos de Lewis, o átomo de nitrogênio ocupa o orbital vazio deste com seu par de elétrons, formando um sal de amônio e uma quarta ligação.

A alquilação é empregada como método de preparação de sais de amônio quaternários, que não apresentam acidez como os primários, secundários e terciários, por não possuírem a ligação N+—H. Quanto aos hidróxidos de amônio quaternários, são tão básicos quanto os hidróxidos alcalinos.


N

R

RR

HCl aquoso

NaOH aquoso

N

R

RR

H Cl_+

+

Amina insolúvel em água Sal de amônio solúvel em água

CH CH N+

CH3OH CH3

H

H

Cl

Cloridrato de efedrina

NCH3

CH3

H

O

O

O

O

+

Cl_

Cloridrato de cocaína

Sais de amônio são sólidos iônicos com alto ponto de fusão, muito mais solúveis em água que as aminas originais e ligeiramente solúveis em solventes orgânicos apolares. Essas propriedades são muito úteis no isolamento e purificação de aminas. O processo consiste em extrair (solubilizar) a amina de sua fonte, seja material sólido ou solução, convertendo-a em amônio solúvel com ácido. Após purificação, a solução é neutralizada para o amônio liberar a amina insolúvel que é isolada por extração com um solvente orgânico imiscível com água. Caso a amina precipite, é então isolada por filtração.

Muitas drogas ou moléculas biologicamente ativas são aminas, comumente armazenadas como sais pelo fato destes serem mais estáveis, não sofrendo reações de decomposição, principalmente por oxidação. Outro ponto importante é que os sais não apresentam o desagradável odor de peixe característico das aminas. E por serem solúveis, os sais são empregados em xaropes e medicamentos injetáveis.

Um exemplo é a efedrina, amplamente utilizada em gripes e crises alérgicas. A efedrina funde a 79 oC, tem um odor desagradável e é perdida por oxidação pelo ar em produtos indesejáveis. O cloridrato de efedrina funde a 217 oC, não se oxida e é inodoro, sendo o ideal para compor os medicamentos.

A química do íon amônio é indevidamente aplicada por traficantes de drogas. O cloridrato de cocaína, além de mais estável, dificulta o trabalho policial de detecção pela supressão do odor.


Dissolução em éter

Mistura com HCl aquoso

Fase orgânica(Acetanilida)

Fase aquosa(Cloreto de anilínio)

Evaporação do éter

Evaporação do éter

Adição de éter e NaOH aquoso

Fase aquosa(NaCl)

Fase orgânica(Anilina)

NH2NH C

O

CH3

Acetanilida

Anilina

Insolúveis em água

AnilinaAcetanilida

+ + +Bu4N

+ Cl-

CHCl3 NaOH NaCl + H2OCl

Cl

A extração ácida é muito empregada pelos químicos no isolamento e purificação de aminas, tanto de fontes naturais como sintéticas. O fluxograma seguinte ilustra a seqüência típica de etapas.

Sais de amônio quaternários são especialmente úteis por serem solúveis, em certa extensão, tanto em água quanto em solventes orgânicos apolares. Por essa propriedade, são utilizados como catalisadores de transferência de fase para mover bases e nucleófilos iônicos em solventes orgânicos, facilitando reações nas quais um dos reagentes é insolúvel em soluções aquosas e o outro insolúvel em soluções orgânicas. O grande cátion amônio do sal transferidor de fase forma um par iônico com o ânion solúvel em água, e os grupos alquila do amônio proporcionam solubilidade na fase orgânica. Uma vez nessa fase, o ânion do par iônico reage com o reagente insolúvel em água. Um exemplo é a reação do cicloexeno e clorofórmio, ambos insolúveis em água, com solução aquosa de hidróxido de sódio para a reação seguinte:


Cl

Cl

1- Fase aquosa

+ Na+ OH Na+ Cl_

Bu4N+Cl

_Bu4N

+_

+_

2- Fase orgânica

+ +

_

+ CCl2

+ CCl2catalisadorregenerado

diclorocarbeno

cloreto detetrabutilamônio

par iônico

solubilidadena fase orgânica

OH

Bu4N+

_ _OH CHCl3 Bu4N

+ CCl3

_Bu4N

+ CCl3 Bu4N+ Cl

H2O

+ +

par iônicoinsolúvelfase orgânica

R CH2 Cl R CH2 CN

catalisadorregenerado

maiornucleofilicidade

_Bu4N

+ Cl

_Bu4N

+ Cl

_Na+ Cl

_Na+ CN

_Bu4N

+ CN

+ +_

Bu4N+ CN

A catálise de transferência de fase para essa reação pode ser assim esquematizada:

O amônio, ao formar par iônico com o hidróxido, viabiliza sua transferência para a fase orgânica, na qual é mais reativo por estar livre da água de solvatação.

Outros ânions também podem ser transferidos, com destaque para o cianeto, por sua manipulação ser de alta periculosidade, e por essa metodologia ser realizada com segurança.


Atividade 4

Resumo

1

2

Explique o fato de aminas insolúveis em água dissolverem-se em soluções aquosas com ácido clorídrico.

Comente sobre as possibilidades de aplicação dessa propriedade.

Aminas são compostos que apresentam o átomo de nitrogênio ligado a um, dois ou três átomos de carbono, alifático ou aromático. São classificadas como primária, secundária ou terciária. Em função da natureza dos átomos de carbono, são classificadas como alifática ou aromática. Se o átomo de nitrogênio integra um anel, a amina é classificada como heterocíclica ou heterocíclica aromática. A nomenclatura sistemática de aminas alifáticas emprega o sufixo –amina e o átomo de carbono ligado ao nitrogênio deve receber a menor numeração possível. Aminas secundárias e terciárias são tratadas como N- substituídas. A nomenclatura comum das aminas alifáticas lista os grupos alquila em ordem alfabética e acrescenta ao último o sufixo –amina. Quando o nitrogênio encontra-se ligado a um anel benzênico, a amina recebe o nome de anilina. Aminas apresentam o fenômeno da inversão. Com quatro ligações ao átomo de nitrogênio, a função é o cátion amônio, que pode ser primário, secundário, terciário ou quaternário. Os nomes dos amônios são formados pelo do ânion e dos substituintes em ordem alfabética, com o último recebendo o sufixo –amônio. Aminas são compostos polares. Aminas primárias e secundárias associam-se por ligações hidrogênio, enquanto as terciárias, não. Pela polaridade da ligação N—H ser menor que a da O—H, as ligações hidrogênio nas aminas são mais fracas que nos álcoois e por isso os pontos de ebulição são menores que os dos álcoois de massa molar comparável. Todas as classes de aminas formam ligação hidrogênio com a água e por isso são mais solúveis nesta que os hidrocarbonetos. Aminas alifáticas são bases fracas. Aminas aromáticas e heterocíclicas aromáticas são bases consideravelmente mais fracas. Todas as aminas reagem quantitativamente com ácidos fortes, formando sais solúveis em água. A basicidade das aminas e a solubilidade de seus sais em água são úteis para isolar aminas


1

2

3

4

5

Auto-avaliação

Avalie seus conhecimentos a partir da resolução das questões seguintes.

Explique e exemplifique os critérios de classificação das aminas.

Escreva as fórmulas estruturais para:

a) Cicloexanamina

b) Pentan-3-amina

c) 2-Aminociclobutanol

d)m-Bromoanilina

e) N,N-Dimetilanilina

f) Brometo de anilínio

g) Cloreto de tetrametilamônio

Justifique as diferenças nos pontos de ebulição para as aminas:

CH3CH2CH2 – NH2 (98°) CH3CH2 – NH – CH3 (37°) N(CH3)3 (3 °C)

a) N,N-Dimetil-metanamina + CH3COOH

b) Azacicloexano + HCl

c) Butan-1-amina + HBr

Assinale e identifique os grupos funcionais nas estruturas a seguir:

Escreva as estruturas e os nomes dos produtos das reações a seguir.

a) amina primária

b) amina secundária

c) amina terciária

d) sal de amônio


6

O

O NH

MDMA (Extasis)

Mescalina

N

CH3

H

N

Nicotina

H

N

H

(S) -Coniina(veneno de Socrates)

N

H

NCH3

H

O

OH

Ácido lisérgico (LSD)

O

O

NH

O

O

_+

Bissulfato de cocaína

CH2CH2CH3

CH3O

CH3OCH3O

CH3

CH3

HSO4

NH2

NH2

NH2

NH2

H2N

H2N

N

H

OHNMe

Me

N

H

NH

Et

Et

Et+ Cl

1

5 6 7

2 3 4

Nomeie os seguintes compostos:

Referências

ALLINGER, Norman L. et al. Química orgânica. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1976.

BARBOSA, Luiz Cláudio de Almeida. Introdução à química orgânica. São Paulo: Prentice Hall, 2004.


Anotações

MCMURRY, John. Química orgânica. 4. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1996.

SOLOMONS, T. W. Graham. Química orgânica. 7. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2003.

VOLLHARDT, K. P. C.; SCHORE, N. E. Química orgânica: estrutura e função. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2004.

WADE JÚNIOR, L. G. Organic chemistry. 4. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1999.


Anotações

Documents

DISCIPLINA Química da Vidaold.agracadaquimica.com.br/quimica/arealegal/outros/181.pdfPara você nomear oﬁcialmente uma amina, determine a cadeia de carbonos mais longa ligada ao