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A QUÍMICA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS
COM NITROGÊNIO
Oxford Chemistry Primers – Patrick D. Bailey and Keith M. Morgan
Patrocínio da publicação original: ZENECA (uma das maiores empresas atuantes nas áreas de Produtos Farmacêuticos, Agroquímicos e Sementes, Reagentes em Química Fina e Produtos Biológicos.
Índice Introdução Parte A - Compostos com Ligações Csp 3 -Nsp^3
- Aminas
- Sais de amônio
- Bases nitrogenadas
- Processos para síntese de aminas
Parte B – Compostos Insaturados que contém Nitrogênio
5. Iminas 6. Enaminas 7. Amidas 8. Nitrilas 9. Uretanas, ureias, imidas e diimidas
Parte C – Compostos com ligações N-O e N-N
- Compostos com ligações N-N
- Oximas
- N-óxidos
- (^) Compostos Nitroso
- Compostos Nitro
Introdução
O nitrogênio constitui 80% do ar que respiramos e é o gás mais abundante no planeta Terra. Embora, no estado elementar (nitrogênio molecular N 2 ) o elemento seja muito pouco reativo, a natureza apresenta muitas maneiras de incorporar o átomo de nitrogênio em grande parte das moléculas “da vida”. Este é um fato crucial, é impossivel imaginar o processo de evolução da vida (nas suas diferentes manifestações) o qual não dependa da química de compostos orgânicos nitrogenados (com átomos de nitrogênio). Porém, o que torna tão especial a presença de nitrogênios em compostos orgânicos? A resposta depende de uma combinação de fatores.
C N O Número de ligações (quando neutro) 4 3 2 Número de pares de elétrons não ligantes 0 1 2
Primeiro, o átomo de nitrogênio neutro é trivalente, e isto oportuniza uma ampla escala de grupos funcionais e variantes estruturais que são inacessíveis ao seu vizinho divalente o oxigênio. Em segundo lugar, a eletronegatividade intermediária entre C e O e o par de elétrons não ligantes nos nitrogênios trivalentes ; que influenciam de maneira determinante na sua química, permitindo, por exemplo, que o nitrogênio utilize estes elétrons formando grupos funcionais adicionais como sais de amônio e grupos nitro. Vamos visualizar as representações para as estruturas de alguns grupos funcionais com o átomo de nitrogênio:
Saturados Insaturados Com ligações N-N e N-O
F 0 3 1Grupos funcionais com o átomo de nitrogênio trivalente são grupos neutros. F 0 3 1 Em grupos com átomos de nitrogênio tetravalentes houve doação(compartilhamento, uma nova ligação envolvendo...) o par de elétrons não ligantes no átomo neutro. O átomo fica com deficiência de carga e leva o sinal +.
F 0 3 1Amidas contém o grupo funcional : Amidas Metálicas, denominam sais de aminas onde os átomos de nitrogênio são ânions
F 0 3 1São aceitas três representações para o grupo nitro:
Os exemplos listados acima foram divididos em três grupos, cuja química será detalhada em seus pormenores nas Partes A, B e C, a seguir. Na parte A, iremos estudar apenas aminas saturadas, os modelos mais simples para ligações C-N. As aminas podem ser protonadas ou alquiladas gerando cátions amônio (agem como nucleófilos, doadores de elétrons), ou podem ser desprotonadas gerando ânions (atuando como ácidos, cissão da ligação N-H). Embora a química envolvida seja muito direta, as propriedades e modos de obtenção de alquil e aril aminas simples demonstram e apresentam importantes aspectos da química de Organonitrogênios e que relaciona-se a muitos outros grupos funcionais. Muito mais variedade de tipos de comportamento químico são considerados na Parte B, quando serão estudados os aspectos do grupo amino quando ligado diretamente a uma dupla ligação C=C (enaminas e outros nitrogênios em sistemasF 0 7 0-conjugados) ou C=O (amidas). Ou ainda, no estudo da própria ligação dupla C=N nas iminas e da tripla ligação C=N nas nitrilas (ciano-compostos). Na Parte C serão estudados uma seleção de grupos funcionais envolvendo ligação N-N e N-O. Estes grupos funcionais podem ser saturados (N-óxidos) ou insaturados (nitro compostos). E o mais interessante são as desorientantes possibilidades de combinações conhecidas para estes átomos. Como se isso já não fosse suficiente, existe uma ampla variedade de compostos heterociclos com destacada importância. A classe de compostos heterociclos aromáticos (piridinas e imidazoles, por exemplo) foi discutida e apresentada separadamente em outro volume da série OCP - Aromatic Heterocyclic Chemistry escrito por D. T. Davies. Porém, os heterociclos não-aromáticos como a morfolina ou a pirrolidina, que apresentam mais semelhanças com as aminas acíclicas serão discutidos neste livro.
Antes de iniciarmos com o estudo convicto e determinado da química dos organonitrogênios, é importante que relembremos a importância desses compostos nos processos da natureza e nos processos do mundo industrializado. No início de qualquer vida, determinando e mediando todas as formas e funções das biomoléculas, está o código genético. Ele é formado por um esqueleto de fosfoglicidio, um polímero de riboses ligadas por pontes ou ligações fosfato. O código em si está contido na seqüência de bases nitrogenadas ; o seu potencial para formação de ligações de hidrogênio mantém as hélices do DNA unidas e também é utilizado para tranformação do código (em trios de bases) em uma cadeia de amino-ácidos.
A condensação de amino-ácidos controlada pelo DNA gera os peptídeos e proteínas que atuam nas principais funções da manutenção da vida. Peptideos (< 50 amino-ácidos) atuam principalmente como
Em segundo lugar, mecanismos envolvendo o cátion N +^ prevalecem; o átomo de nitrogênio quando carrega uma carga positiva ainda possui oito elétrons na mesmo possuindo um octeto de elétrons na camada de valência. Isso porque o oxigênio é mais eletronegativo do que o nitrogênio ( por exemplo, a metil-amina MeNH 2 está completamente protonada, MeNH 3 +^ a pH = 7 enquanto para protonar o MeOH até MeOH 2 +^ é necessário pH<1).
(d) O argumento da eletronegatividade funciona ao contrario quando analisamos a
formação de ânions de nitrogênio. Então, ânions de nitrogênio são bases muito fortes; por exemplo, Et 2 NH é desprotonado a Et 2 N -^ somente com pH > 23! Em contraste o Etanol (EtOH) é desprotonado a pH = 16.
(e) Finalmente, lembremos que nos organonitrogênios compostos saturados o nitrogênio possui
hibridização sp3 com geometria tetraédrica.
1. Aminas
As aminas saturadas são os organonitrogênio compostos mais simples, e são extremamente importantes em função da grande quantidade e variedade produzida pela natureza; podem ser usados como blocos precursores na obtenção de moléculas sintéticas mais complexas e são usados como co-reagentes em muitas reações orgânicas. A reatividade desses compostos depende essencialmente da disponibilidade do par de elétrons não ligantes do nitrogênio, e podem atuar ou como nucleófilos ou como bases.
Um nucleófilo é uma espécie que ataca carbonos deficientes de elétrons (um eletrófilo):
Uma base é uma espécie que ataca hidrogênios deficientes de elétrons (os que são chamados de prótons):
Durante o texto será usada a seguinte simbologia: Nu-^ para nucleófilo (^ -^ significando um par de elétrons livre)
B- para base (-^ significando um par de elétrons livre)
E +^ para eletrófilo ( +^ significando a possibilidade de receber um par de elétrons.
A variação da nucleofilicidade e basicidade será constantemente vista durante o texto. Mas iniciaremos com a reação mais simples – quando as aminas atuam como bases. Usaremos a etilamina (EtNH 2 ) como exemplo específico.
1. Basicidade
A basicidade é somente a medida do seguinte equilíbrio:
Para uma amina, como a Etilamina, o equilibrio é:
O fato deste equilíbrio estar deslocado para a direita nos diz que as soluções aquosas de aminas (ou mesmo de amônia) são alcalinas.
Para o equilíbrio da Etilamina a constante de equilíbrio pode ser expressa como:
Considerando que a concentração da água permanece (virtualmente) constante, isso é incorporado ao valor de K. Esta nova constante é definida como a constante de basicidade Kb. Então,
A informação mais útil é saber quando as concentrações de amina livre e íon amônio estiverem iguais. Isso ocorre quando Kb = 10-5^ , então quando [EtNH 3 +^ ] = [EtNH 2 ]:
Esta ainda não é uma relação muito útil. Porém, o pH é uma idéia de medida mais útil e usável, e a [OH - ] pode ser convertida em pH porque:
Todo este cálculo nos diz que alquil aminas comuns estão com a metade da concentração protonadas em pH em torno de 9. Em pH = 7, chamado neutro, quando a concentração de H +^ é 100 vezes maior (a escala de pH é uma escala logarítmica), haverá uma protonação 100 vezes maior das moléculas de aminas livres. Na prática, o trabalho com a constante da basicidade não é comum; é mais fácil e direto medir o equilíbrio reverso, então:
e isso envolve o cálculo muito mais familiar da acidez:
e o 0 0 1 FK (^) a para alquil aminas comuns é em torno de 10 -9^ , quando então [EtNH 2 ] = [EtNH 3 +^ ]:
Obviamente, pelos dois processos de cálculo foi encontrado o mesmo valor; são maneiras diferentes de interpretar o fato das aminas estarem com a metade da sua concentração na forma protonada em pH = 9. A proporção de amina protonada irá aumentar proporcionalmente por fatores de 10 para cada unidade reduzida no pH; inversamente, é necessário pH > 11 para que em uma solução aquosa de alquil amina exista maior proporção de amina livre do que de aminas protonadas.
Todas as aminas comuns possuem valores de p Ka em torno de 9, o valor exato é determinado pelos efeitos do substituinte sobre o par de elétrons livres do nitrogênio. Na Tabela abaixo são mostrados alguns exemplos para verificação rápida disso.
Amina Estrutura p Ka Amônia 9, Etilamina 10, Dietilamina 10, Trietilamina 10, Piperidina 11, Anilina 4, Piridina 5,
Grupos doadores de elétrons atuam estabilizando a deficiência de carga do átomo de nitrogênio em aminas protonadas, diminuindo o Ka e aumentando o p Ka do ácido conjugado. As aminas cíclicas como a
Essa reação usualmente não para no produto da monoalquilação, como o produto alquilado é um nucleófilo mais potente do que o reagente inicial:
e ainda pode acontecer uma terceira alquilação, para formação do sal de amônio quaternário:
A alquilação de aminas com haletos de metila é um processo muito difícil de ser controlado (exceto quando o produto desejado é um sal quaternário de amônia) porque o grupo metila é bem pequeno. Com agentes alquilantes com substituintes maiores, o processo de alquilação torna-se mais controlável, e é possível isolar a amina terciária. A reatividade de aminas também é influenciada pelos efeitos do solvente da reação- a mudança de um solvente polar prótico (por exemplo MeOH) para um outro apolar (por exemplo PhH) pode ser decisivo sobre a reatividade das aminas.
As bases inorgânicas ao final do processo são filtradas do meio orgânico. As aminas terciárias podem ser usadas como bases, mas não se pode esquecer que se o reagente alquilante (eletrófilo) for um haleto de metila a amina terciária também pode ser alquilada.
Com Derivados de Ácidos Carboxílicos : As aminas agem como nucleófilos formando amidas;
As amidas formadas não são bases, e são nucleófilos muito pobres, porque o par de elétrons livres do nitrogênio fica em conjugação com os elétrons da dupla ligação C=O, da carbonila.
Novamente, deve-se levar em conta a formação de HCl no meio reacional quando a amina reage com o cloreto de ácido. A reação não será completa sem a adição de uma base (co-reagente) para evitar a protonação da amina reagente. Um modo prático é utilizar uma relação estequiométrica de 2 equivalentes de amina para 1 de cloreto de ácido. De modo geral, as aminas reagem com a maioria dos derivados de ácidos carboxílicos para formar amidas. A velocidade da reação depende da reatividade de cada derivado específico. As aminas não reagem como nucleófilos com ácidos carboxílicos e sim como bases, gerando sais com cátion e ânion orgânicos:
Com Aldeídos e Cetonas : Do mesmo modo que acontece com os derivados de ácido, aminas primárias e secundárias também podem atacar o carbono carbonílico deficiente de elétrons. Os produtos serão iminas ou enaminas, respectivamente, depois de um processo que resulta na eliminação de água.
Clivagem da Ligação C-N : É muito difícil romper a ligação simples C-N. O nitrogênio é um mau living group , a pequena diferença de eletronegatividade faz que a ligação fique pouco polarizada. Portanto, as aminas saturadas são compostos muito estáveis quanto a quebra da ligação C-N. Somente N-benzilaminas podem ser clivadas sob condições relativamente brandas - hidrogenólise sobre catalisadores com paládio podem fazer isso, ou sódio em amônia líquida. São meios redutores, doadores de hidrogênio tanto para o carbono como para o nitrogênio.
Nesse exemplo o grupo benzil foi usado como um grupo de proteção , pois o nitrogênio não poderia atuar como nucleófilo durante os procedimentos envolvidos na síntese – lembre-se aminas 3ª atuam mais como bases, enquanto aminas 2ª são bons nucleófilos.
Reações com Ácido Nitroso : Essas reações serão discutidas na Capítulo 13, mas as transformações chave são:
4. Sumário
- Aminas são bases, as quais são prontamente protonadas (p K a ~ 9).
- Aminas são potentes nucleófilos e regem com: Haletos de alquila Derivados de ácidos carboxílicos Aldeídos e cetonas Ácido Nitroso
