D I S C I P L I N A
Química da Vida
Aminas
Autores
Carlos Roberto Oliveira Souto
Humberto Conrado Duarte
aula
08
Revisoras de Língua Portuguesa
Janaina Tomaz Capistrano
Sandra Cristinne Xavier da Câmara
Governo Federal
Presidente da República
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Revisora Tipográfica
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Secretário de Educação a Distância – SEED
Ronaldo Motta
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Editoração de Imagens
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Carolina Costa
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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
RN/UF/BCZM
2006/84
CDU 547
CDD 661.8
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste material pode ser utilizada ou reproduzida sem a autorização expressa da UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Apresentação
esta 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.
N
Objetivos
1
Reconhecer e classificar aminas.
2
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.
3
Prever as propriedades físicas e justificar
diferenças entre diferentes aminas e entre estas
e outras funções.
4
5
Justificar diferenças de basicidade entre aminas.
Explicar a importância da basicidade para
processos experimentais.
Aula 08 Química da Vida
1
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 aminas
neurotransmissores, a adrenalina é secretada pelas glândulas adrenais sob condições de
stress ou medo, preparando o organismo para enfrentar uma ameaça ou fugir.
CH
HO
CH2
NH
CH3
OH
HO
Epinefrina ou Adrenalina
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.
CH
HO
CH2
NH2
OH
HO
Norepinefrina
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.
2
Aula 08 Química da Vida
+
CH2 CH NH3
C
+
CH2 CH NH3
HO
C
O
O
O
O
Tirosina (Melanina)
Fenilalanina
várias
etapas
CH
HO
CH2 NH2
CH2 CH2 NH2
HO
OH
HO
HO
Dopamina
Norepinefrina
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.
+
CH2 C H NH3
C
N
O
O
H
Triptofano
aminoácido essencial
CH2 CH2 NH2
- CO2
(metabolismo)
N
H
Serotonina
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.
Aula 08 Química da Vida
3
+
C H2 C H NH3
N
C
O
N
H
C H2 C H2 NH2
O
N
- CO2
(metabolismo)
N
H
Histidina
Histamina
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.
Quinina
- antimalárico (droga mais antiga)
- flavorizante água tônica
N
CH2
Morfina
CH3
R1 = R2 = H
Heroína
HO
H3C
CH
R1 = R2 = COCH3
N
Codeína
O
R1
O
O
O
R2
R1 = CH3
R2 = H
N
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.
4
Aula 08 Química da Vida
N
N
N
Cafeína
N
H2N
CH3
N
N
O
O
N
O
Nicotina
Anfetamina (Benzedrina)
2-Amino-1-fenilpropano
Diazepan
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:
1s 2
7
2s 2
2p 3
N
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.
orbital p
orbital sp3
CH3
H
H
N
H
CH3
N
CH3
CH2CH3
CH2CH3
(R) -etilmetilamina
[estado de transição]
N
CH2CH3
orbital sp3
(S) -etilmetilamina
Aula 08 Química da Vida
5
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.
CH3
H3C
H3C
N
N
CH3
CH3
H3C
(R) -1,2,2-trimetilaziridina
(S) -1,2,2-dimetilaziridina
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.
C H3C H 2C H 2 N
C H3C H 2 N
H
C H3 N
H
C H3
C H3
H
2 átomos de carbono ligados
ao nitrogênio: amina secundária
1 átomo de carbono ligado
ao nitrogênio: amina primária
C H3
3 átomos de carbono ligados
ao nitrogênio: amina 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.
Aminas alifáticas
CH3CH2CH2 N
Aminas aromáticas ou Arilaminas
H
N
H
NH2
H 2N
CH3
H
CH3
N
CH3CH2CH2
3) Quanto à participação do átomo de nitrogênio em sistemas cíclicos, como heterocíclica
ou, sendo o anel aromático, heterocíclica aromática (vide aula 4 – Aromáticos).
Aminas heterocíclicas
Aminas heterocíclicas aromáticas
N
N
N
6
Aula 08 Química da Vida
N
N
H
N
N
H
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
..
..
NH2
NH2
NH2
Butan-2-amina
(s-Butilamina)
Cicloexanamina
(Cicloexilamina)
..
H 2N
Oficial:
Comum:
..
C H3
Metanamina
(Metilamina)
..
..
C H2 NH2
Oficial:
Comum:
„
Fenilmetanamina
(Benzilamina)
NH2
Prop-2-en-1-amina
(Alilamina)
2-Metilpropan-1-amina
(Isobutilamina)
..
..
..
H 2N
NH2
2 -Metilpropan-2-amina
(t-Butilamina)
NH2
Butano-1,4-diamina
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.
Oficial:
Comum:
..
..
..
..
N
H
N
N
H
H
N
H
N-Metil-etanamina
(Etil-metilamina)
N-Etil-etanamina
(Dietilamina)
N-Etil-propan-1-amina
(Etil-propilamina)
N-Propil-ciclopentanamina
(Diciclopentilamina)
Aula 08 Química da Vida
7
„
Aminas
alifáticas terciárias
Você considera como N,N-dissubstituídas. Os dois substituintes são descritos em
ordem alfabética, casa um precedido de “N”.
N
N,N-Dietil-etanamina
(Trietilamina)
„
A
minas
N
N
N-Etil-N-metil-propan- 1-amina
(Etil-metil-propilamina)
(2E,4E)-N-Etil-N-propil-hexa-2,4-dien-1-amina
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.
nome sistemático:
(não sistemático):
..
..
NH2
NH C H3
Benzenamina
(Anilina)
..
..
N-Metilbenzenamina
(N-Metilanilina)
H 3C
H 3C O
NH2
4-Metilbenzenamina
(p-Toluidina)
NH2
4 -Metoxibenzenamina
(p-Anisidina)
Para aminas com outros anéis aromáticos, os nomes são dados pelo sufixo –amina ao
nome do hidrocarboneto correspondente.
..
NH2
..
NH2
Naftalen-2-amina
(Naftalen-2-ilamina)
„
Antracen-1-amina
(Antracen-1-ilamina)
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.
8
Aula 08 Química da Vida
..
N
N
..
N
H
H
Azaciclopentano
(Pirrolidina)
Azacicloexano
(Piperidina)
H
H
Azaciclopropano
(Aziridina)
„
..
N
Azaciclobutano
(Azetidina)
H
.
N.
.
.N H
1,4-Diazacicloexano
(Piperazina)
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.
N
N
N
N
H
H
H
Azaciclopenta-2,4-dieno
(Pirrol)
1,2-Diazaciclopenta-2,4-dieno
(Pirazol)
1,3-Diazaciclopenta-2,4-dieno
(Imidazol)
N
N
N
N
N
N
1-Azabenzeno
(Piridina)
1,2-Diazabenzeno
(Piridazina)
1,3 -Diazabenzeno
(Pirimidina)
N
N
N
N
N
H
H
1-Azanaftaleno
(Quinolina)
1-Azaindeno
(Indol)
N
Purina
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.
..
H .O.
..
NH2
2 -Aminoetanol
. .
.O.
. .
.O.
..
H2N
..
.O. H
Ácido 3 -aminopropanóico
..
N
..
O
. .H
Ácido 5 -(N-etil-N-metilamino)-heptanóico
Aula 08 Química da Vida
9
Atividade 1
1
Represente e classifique as estruturas das oito aminas isoméricas
com a fórmula molecular C4H11N.
2
Represente as fórmulas estruturais para as cinco aminas isoméricas
que têm a fórmula molecular C7H9N e que contêm um anel benzênico.
3
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.
R
10
Aula 08 Química da Vida
G
CH2
N
Momento dipolo
resultante
G
H
H
G
G
N
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.
H
_
G
G
N
R1
+
H
R2
N
R1
ligação hidrogênio
R2
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.
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
Composto
a
CH3—NH—CH2CH3
37
amina 2
59
CH3CH2CH2—NH2
48
amina 1a
59
CH3CH2CH2—OH
97
álcool
60
Aula 08 Química da Vida
11
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.
ligação hidrogênio
H
G
O
_
H
H
G+
G
N
R1
O
_
H
H
+
G
R2
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.
H2N
NH2
Putrescina
H2N
NH2
Cadaverina
Atividade 2
1
2
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
12
Aula 08 Química da Vida
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.
H
H
+
+
N
R1
H
Cl
N
R1
R2
R2
H
+
Cl
Sal de amônio
(ácido conjugado)
Base
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.
H
H
N
R1
_
+
+
H
O
H
N
R1
R2
Base
+
H
R2
O
H
Hidróxido de amônio
A constante de equilíbrio para essa reação é expressa como
RN H HO H ORNH 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)
p Kb = 3
Enquanto as aminas apresentam basicidade, íons amônio apresentam acidez devido à
carga positiva sobre o átomo de nitrogênio, que aumenta sua eletronegatividade.
H
H
N
R1
R2
H
H
+
H
+
H
O
H
N
R1
R2
+
O +
H
Aula 08 Química da Vida
13
Valores de pKa de íons amônio são relacionados aos de pKb das respectivas aminas.
log log log log 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.
H
N
H
R
H
O
H
Amina
N
+
-
O
H
R
Amônio
R
R
H
Energia
H
H
+
NH3 + -OH
NH3 + H2O
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.
14
Aula 08 Química da Vida
CH3
NH3 + H2O
+
NH4 + HO -
NH2 + H2O
CH3
Amina
pKa = 4,74
+
NH3 + HO -
pKa = 3,36
Amônio
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.
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
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 S 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
+
NH3 + OH
Entalpia
1
+
NH3 + OH
Menor estabilização do íon
anilínio pela ressonância
NH2
+ H2O
'H°1
2
'H°2
'H°2 > 'H°1
Maior estabilização da
anilina pela ressonância
NH2
+ H2O
Aula 08 Química da Vida
15
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.
Anilina
Íon Anilínio
H
N
H+
+
N
H
H
estabilizada pela sobreposição orbital
H
H
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!
NH2
+
NH2
NH2
+
NH2
+
NH2
_
1
2
+
NH3
+
NH3
_
3
4
Íon anilínio
apenas 2 formas de ressonância
5
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.
Amina
aromática
Anilina
Estrutura
Basicidade: Kb
NH2
4,0 x 10 -10
p - Toluidina
NH2
H3C
1,2 x 10 -9
p - Cloroanilina
Cl
NH2
1,0 x 10 -10
Anisidina
H3C O
2,0 x 10 -9
p - Nitroanilina
NH2
O2N
NH2
4,0 x 10 -13
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.
16
Aula 08 Química da Vida
+ O
N _
O
H2N
_
+ O
N
_
O
+
H2N
Observe também que entre as aminas heterocíclicas há grande diferença de basicidade,
sendo as aromáticas bases muito mais fracas.
Heterociclo
Pirrolidina
Pirrol
Imidazol
Piridina
Piperidina
N
Estrutura
N H
Basicidade: Kb
N H
1,9 x 10 -3
N H
1,0 x 10 -15
8,9 x 10 -8
N H
N
1,8 x 10 -9
1,3 x 10 -3
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 S, que faz do anel um sistema aromático segundo a
regra de Huckel (vide aula 4).
E
Pirrol tem duas
posições equidistantes
do nitrogênio e
equivalentes: D e E
_
E
D
_
_
+
D
N
N
N+
N+
H
H
H
H
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 D do anel.
A ligação do próton com o carbono E 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.
H
H
H
H
+
N+
N
H
H
Apenas duas formas
de ressonância
H+
E
E
D
D
N
H
H+
+
N
H
H
H
H
H
+
N
H
H
N+
H
H
Três formas, maior distribuição da
carga, menor energia de cátion
Aula 08 Química da Vida
17
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 S
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 S, e pode receber o próton.
Sem interagir com o sistema S, 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.
Cátion imidazolio
H
N
H
N+
N
H+
N
N+
N
H
H
H
- estruturas idênticas
- carga dividida sobre 2 nitrogênios
- aromaticidade preservada
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 S 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 S. A carga positiva é deslocalizada
pelo anel sobre os átomos de carbono menos eletronegativos que o nitrogênio, contribuindo
para a menor energia do cátion.
H
.N.
+
+
+
N
+ ..
N
..
N
..+
N
H
H
H
H
íon piridínio
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.
18
Aula 08 Química da Vida
..
..
N
N
K
..
- 1/2 H 2
N
..
_
.N.
. ._
. .N
_
K
+
.N.
..
N
K
- 1/2 H 2
..
_
.N.
..
K
+
.N.
H
H
- estruturas equivalentes; - carga dividida entre 2 heteroátomos
- estruturas não equivalentes; - apenas 1 heteroátomo para a a carga
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.
Atividade 3
1
Justifique o fato das aminas serem mais básicas que os álcoois.
2
As aminas alifáticas apresentam grande diferença de basicidade em
relação às aromáticas. Comente.
3
Explique as diferenças de basicidade entre pirrol e a piridina e entre
pirrol e imidazol.
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:
Aula 08 Química da Vida
19
H
H
+
N
H 3C
H
HCl
N
H 3C
+
Cl
_
H
H
H
Cloreto de metilamônio
Amônio primário
HBr
H 3C
C H 3C H 2
N
+
_
H
Brometo de etil metilamônio
Amônio secundário
C H 3C H 2C H 2
H 3C
H 3C
+
N
H 3C
C H 3C H 2
Br
H
C H 3C H 2C H 2
+
N
H 2 SO 4
+
N
H 3C
H 3C
HSO
_
4
H
Bissulfato de etil metil propilamônio
Amônio terciário
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.
CH3CH2CH2
H3C
CH3CH2
CH3CH2CH2
N
+
BF3
H3C
Ácido
de Lewis
CH3CH2
+ _
N BF3
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.
CH3CH2CH2
H3C
CH3CH2
CH3CH2CH2
N + Br CH2CH2CH2CH3
Reagente alquilante
H3C
CH3CH2
+
N
Br
CH2CH2CH2CH3
Sal de amônio quaternário
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.
20
Aula 08 Química da Vida
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.
R
R
HCl aquoso
N
R
+
N
R
NaOH aquoso
R
H +
Cl
_
R
Amina insolúvel em água
Sal de amônio solúvel em água
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.
OH CH3
CH CH
CH3
+
N H Cl
H
Cloridrato de efedrina
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.
H
_
Cl
+
N
CH3
O
O CH3
O
O
Cloridrato de cocaína
Aula 08 Química da Vida
21
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.
O
Anilina
Dissolução em éter
Acetanilida
NH C
NH2
CH3
Insolúveis em água
Mistura com HCl aquoso
Fase orgânica
(Acetanilida)
Fase aquosa
(Cloreto de anilínio)
Evaporação do éter
Adição de éter e NaOH aquoso
Acetanilida
Anilina
Evaporação do éter
Fase orgânica
(Anilina)
Fase aquosa
(NaCl)
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:
+
+ CHCl + NaOH
3
22
Aula 08 Química da Vida
Bu4N
-
Cl
Cl
Cl
+ NaCl + H O
2
A catálise de transferência de fase para essa reação pode ser assim esquematizada:
1- Fase aquosa
+
Bu4N Cl
_
+
Na
_
OH
+
_
OH
+
Bu4N
cloreto de
tetrabutilamônio
+
+
Na Cl
+
H 2O
_
par iônico
2- Fase orgânica
Bu4N
+
_
OH
+
CHCl3
Bu4N
_
CCl3
+
solubilidade
na fase orgânica
Bu4N
+
_
CCl3
+
Bu4N Cl
_
+
CCl2
catalisador
regenerado
diclorocarbeno
Cl
+
CCl2
Cl
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.
+
Bu4N Cl
_
+
+
Na
_
CN
+
Bu4N
+
_
CN
+
R
CH2
Cl
maior
nucleofilicidade
+
_
+
Na Cl
par iônico
insolúvel
fase orgânica
Bu4N
_
CN
R
CH2
CN
+
+
Bu4N Cl
_
catalisador
regenerado
Aula 08 Química da Vida
23
Atividade 4
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.
Resumo
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
24
Aula 08 Química da Vida
Auto-avaliação
Avalie seus conhecimentos a partir da resolução das questões seguintes.
1
Explique e exemplifique os critérios de classificação das aminas.
2
Escreva as fórmulas estruturais para:
a) Cicloexanamina
e) N,N-Dimetilanilina
b) Pentan-3-amina
f) Brometo de anilínio
c) 2-Aminociclobutanol
g) Cloreto de tetrametilamônio
d)m-Bromoanilina
3
Justifique as diferenças nos pontos de ebulição para as aminas:
CH3CH2CH2 – NH2 (98°)
4
5
CH3CH2 – NH – CH3 (37°)
N(CH3)3 (3 °C)
Escreva as estruturas e os nomes dos produtos das reações a seguir.
a)
N,N-Dimetil-metanamina + CH3COOH Î
b)
Azacicloexano + HCl Î
c)
Butan-1-amina + HBr Î
Assinale e identifique os grupos funcionais nas estruturas a seguir:
a)
amina primária
c)
amina terciária
b)
amina secundária
d)
sal de amônio
Aula 08 Química da Vida
25
Nicotina
Ácido lisérgico (LSD)
MDMA (Extasis)
O
O
N
CH3
H
N
O
CH3
N
N
H O
H
H
N
H
(S) -Coniina
(veneno de Socrates)
Bissulfato de cocaína
Mescalina
H + CH3
_N
HSO4
CH3O
H
N
CH2CH2CH3
O
O CH3
NH2
CH3O
O
CH3O
H
O
6
Nomeie os seguintes compostos:
1
2
4
3
Me
N
NH2
H2N
H
5
NH2
OH
Me
6
7
H
N
N
H2N
NH2
Et
+
N
Et
Et
Cl
H
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.
26
Aula 08 Química da Vida
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
Aula 08 Química da Vida
27
Anotações
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Aula 08 Química da Vida