Ammine e composti azotati

Ammine e composti azotati

prof.ssa Silvia Recchia

• Le ammine sono derivati dell’ammoniaca in cui uno o più idrogeni è stato sostituito da un alchile o un arile.

• Sono le basi più forti presenti negli organismi viventi in ammino acidi, peptidi, proteine, basi eterocicliche degli acidi nucleici, alcaloidi, etc. e sono catalizzatori di importanti reazioni biologiche.

NH₃ R N H R '

R'

R N

R''' R''

ammoniaca

ione tetraalchilammonio

quaternario

Classificazione

1^o 2^o

R N R '

R '' 3^o RNH₂

Classificazione

• Le ammine vengono suddivise in:

• ammine alifatiche: ammine nelle quali l’azoto è legato solo a gruppi alchilici

• ammine aromatiche: ammine nelle quali l’azoto è legato ad uno o più gruppi arilici

• ammine eterocicliche: ammine nelle quali l’azoto è inserito in un anello aromatico o alifatico

N-metilanilina ammina 2°

aromatica NH

CH₃

benzildimetilammina ammina 3°

CH₂ N H₃C

CH₃

piridina pirrolo piperidina pirrolidina

N N

H N

H

NH

Inversione dell’azoto

Inversione dell’azoto

La barriera dell’inversione è molto bassa: le ammine non sono separabili.

~6 kcal/mole

orbitale sp³

orbitale sp³ orbitale sp²

I sali di ammonio quaternario sono separabili.

N R

R R N

R

R R

N R

R R anfetamina

NH2

dopamina (trasmissione nervosa)

NH2

OH HO

mescalina

NH2

OCH3

CH3O CH3O

efedrina (adrenalina)

NHCH3

OH

metilenediossimetanfetamina (MDMA, “ecstasy”)

NHCH3

O O

Alcaloidi

novocaina

NH2

O O N

anfetamina

NH2

dopamina (trasmissione nervosa)

NH2

OH HO

mescalina

NH2

OCH3

CH3O CH3O

efedrina (adrenalina)

NHCH3

OH

metilenediossimetanfetamina (MDMA, “ecstasy”)

NHCH3

O O

Alcaloidi

novocaina

NH2

O O N

ALCALOIDI

Composti Azotati

Coniina NH

Serotonina NH

HO NH₂

Caffeina N

N N

N CH3

O CH3 H3C

O

Muscarina H3C O

HO H3C NCH3

CH3Cl

Nicotina N

N CH3

Atropina N

H3C O

O Ph OH

Chinino N OCH3

OH N

H

H

tiamina Vit B₁ N

N H3C N S H3C

NH₂

OH Cl

Morfina O

HO

CH3 N

HO

NOMENCLATURA

NOMENCLATURA NOMENCLATURA

Ammine eterocicliche

anilina

NH₂

indolo

NH

piridina

N

piperidina

NH

pirimidina

N N

pirrolo

NH

pirrolidina

NH

imidazolo

NH N

Nomenclatura NOMENCLATURA

R N

HH sp³ trigonale piramidale

NH₂ NH N

• Le amine sono composti moderatamente polari

•legami idrogeno N–H----Nsono più deboli di O–H----O(differenza in elettronegatività tra N e H (3.0 – 2.1 = 0.9) è < di quella tra O e H (3.5 – 2.1 = 1.4))

Proprietà fisiche

CH₃CH₃ CH₃NH₂ CH₃OH

PM 30.1 31.1 32.0

p.eb., °C –88.6 < –6.3 < 65.0

p.eb., °C 48 < 34 < 3

Sono solubili in acqua.

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Solubilità e odore

• Ammine corte (<6 C) sono solubili in acqua.

• Tutte le ammine sono accettori di legame idrogeno da acqua e alcoli.

• La ramificazione aumenta la solubilità.

• La maggior parte delle ammine puzzano di pesce in putrefazione.

putrescina

1,4-butandiammina cadaverina

1,5-pentandiammina

nella carne in putrefazione

H₂N NH₂

H2N NH2

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; L'ALCHILAZIONE DELL'AMMONIACA E DELLE AMMINE

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; L'ALCHILAZIONE DELL'AMMONIACA E DELLE AMMINE

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• Le ammine reagiscono con gli alogenuri 1° con meccanismo S_N2.

• Problema: polialchilazione: si formano miscele di prodotti mono-, di-, and tri-alchilati e infine sali di tetralchilammonio.

NH₃ + RNH₃⁺X^– RNH₂ + NH₄⁺X^–

La reazione dovrebbe fermarsi qui NH₃ + RX RNH₃⁺ + X^–

RNH₂ + RX R₂NH₂⁺ + X^–

NH₃ + R₂NH₂⁺X^– R₂NH + NH₄⁺X^– etc. etc.

Sintesi di Ammine

1. Alchilazione diretta – ammine 1°

NH₃ RX RNH₂ RX R₂NH RX R₃N RX R₄N⁺X^–

Nu B Nu B

• L’alchilazione non può essere controllata!

• Per fare un’ammina 1° si usa un largo eccesso (10:1) di ammoniaca con un alogenuro 1° o un tosilato 1° (S_N2).

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; L'ALCHILAZIONE DELL'AMMONIACA E DELLE AMMINE

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; LA RIDUZIONE DI COMPOSTI AZOTATI

Il metodo migliore di preparazione delle ammine aromatiche primarie è la riduzione dei corrispondenti nitrocomposti

Le ammidi possono essere ridotte ad ammine con LiAlH4

• Il cianuro ^–C≡N è un buon nucleofilo per SN2.

• La riduzione del nitrile con H₂/cat o LiAlH₄fornisce il gruppo –CH₂NH₂ (1 C in più rispetto alla catena originaria)

Br NaCN CN 1)LiAlH4

H2O 2)

CH₂NH₂ R C N _cat.^H2 RCH₂NH₂

R X ^NaCN

DMSO 3b. Riduzione di nitrili

Sintesi di Ammine

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; LA RIDUZIONE DI COMPOSTI AZOTATI

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; LA RIDUZIONE AMINATIVA DI ALDEIDI E CHETONI

• È una interessante reazione che ha il suo equivalente biologico nella biosintesi degli ammino acidi.

• Si fa reagire un’aldeide o un chetone in presenza di un agente riducente (H₂/Ni, sodio cianoboroidruro Na(CN)₃BH₃, litio

cianoboroidruro Li(CN)₃BH₃, sodio acetatoboroidruro Na(Ac)₃BH) con:

1. ammoniaca: si ottiene un’ammina primaria

2. un’ammina primaria: si ottiene un’ammina secondaria 3. un’ammina secondaria: si ottiene un’ammina terziaria

Sintesi di Ammine

4. Aminazione riduttiva di aldeidi o chetoni

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1) LiAlH₄ 2) H₃O⁺

O NH₃

H⁺

NH₂

ammina 1°

1) LiAlH₄ 2) H₃O⁺

O HN CH₃

ammina 2°

H

O H₃C N CH₃

CH₃NH₂ H+

(CH₃)₂NH

H+ CH₃COOH

Na(CH₃COO)₃BH 1)

2)

3)

immina NH

immina N CH₃

sale di imminio H N CH₃ H₃C

Sintesi di Ammine

4. Aminazione riduttiva di aldeidi o chetoni

LA PREPARAZIONE DELLE AMMINE; LA RIDUZIONE

AMINATIVA DI ALDEIDI E CHETONI BASICITA’

Il doppietto di elettroni non condivisi sull'atomo di azoto domina il comportamento chimico delle ammine.

È grazie a tale doppietto che le ammine sono basi e nucleofili.

L’ammoniaca ha pK_a = 9.26.

Le alchil ammine sono di solito basi più forti dell’ammoniaca (pK_a 9.8 – 11)

La basicità dipende da:

• Solvatazione: aumentando il numero di gruppi alchilici, la solvatazione dello ione diminuisce (e con essa la stabilizzazione dell’acido coniugato), per cui le ammine 2° e 3° hanno basicità simile alle 1°.

• Ogni delocalizzazione del doppietta diminuisce la basicità.

BASICITA’

I gruppi alchilici sono elettron-repulsori rispetto all'idrogeno e questo effetto stabilizza lo ione ammonio rendendo più basiche le ammine più sostituite; per contro, la sostituzione porta ad una meno efficace solvatazione dello ione ammonio coniugato.

I due effetti tendono a compensarsi.

BASICITA’ delle AMMINE AROMATICHE

BASICITA’ AMMINE vs AMMIDI

catione stabilizzato per risonanza

ACIDITA’ AMMINE vs AMMIDI

REAZIONI DELLE AMMINE

LA REAZIONE DELLE AMMINE CON GLI ACIDI FORTI; I SALI DELLE AMMINE

ACILAZIONE DELLE AMMINE CON I DERIVATI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI Le ammine sono nucleofili all'azoto. Reagiscono con il carbonile dei derivati degli acidi (alogenuri acilici, anidridi ed esteri) in accordo col meccanismo della sostituzione nucleofila acilica.

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Stati di ossidazione dell’azoto

• Mentre l’ossigeno ha 2 soli stati di ossidazione, 2 e 1, l’azoto ne ha molti, da 3 a +5.

N₂(azoto) R–N₂⁽⁺⁾(diazonio) 0

R-NO₂(nitro) RO–N=O (nitrito) +3

R–N=O (nitroso) +1

RN=NR (azo composti) R₂NOH (idrossil ammina) R₃NO (ammina ossido)

_1

R₂N–NR₂(idrazine) C=N–NR₂(idrazoni)

_2

R₃N(ammine) R₄N⁽⁺⁾(ammonio) C=N–R (immine) C N(nitrili)

_3

Formule (nomi) Stato OX

COMPOSTI DI AMMONIO QUATERNARI

I SALI DI DIAZONIO AROMATICI

Le ammine aromatiche primarie reagiscono con l'acido nitroso a 0 °C per dare ioni arildiazonio. La reazione prende il nome di DIAZOTAZIONE.

Si possono dialogare solo le ammine primarie

Il diazogruppo può essere sostituito da vari nucleofili, in reazioni che sviluppano come sottoprodotto azoto gassoso.

• La conversione dei sali di diazonio in cloruri, bromuri o cianuri arilici si realizza con l'ausilio di sali rameosi e prende il nome di reazione di Sandmeyer.

acido!

carbossilico!

aromatico

LA DIAZOCOPULAZIONE; I COLORANTI AZOICI

• Gli ioni arildiazonio sono elettrofili deboli, perché la carica positiva è delocalizzata per risonanza;

• reagiscono con gli anelli aromatici fortemente attivati (in particolare con fenoli e ammine aromatiche) formando AZOCOMPOSTI.

Questa reazione di sostituzione elettrofila aromatica si chiama DIAZOCOPULAZIONE.

Tutti gli azo composti sono colorati e molti trovano impiego nell’industria come COLORANTI per tessuti e nella fotografia a colori.

Reazione di diazocopulazione

N N N N Nu

N N Nu azocomposto

E > Z

• A meno che l’azocomposto non sia stabilizzato, la reazione retroscinde.

• La più importante applicazione è la S_Earomatica di aromatici attivati da parte del sale di diazonio. Gli azocomposti che si formano sono colorati dal giallo al blu, dipendentemente dalla sostituzione e sono usati come coloranti.

X

Y

N N

Z Y

X N N

Z Z N N +

Il gruppo Z elettronattrattore aumenta la elettrofilicità dell’N

Il gruppo Y elettrondonatore aumenta la nucleofilicità dell’anello: O^-, NR₂, NHR, OR