20.5: Las aminas y amidas
Habilidades para desarrollar
- Describir la estructura y las propiedades de una amina.
- Describir la estructura y las propiedades de una amida.
Las aminas son moléculas que contienen enlaces carbono-nitrógeno. El átomo de nitrógeno en una amina tiene un solo par de electrones y tres enlaces a otros átomos, ya sea carbono o hidrógeno. Se usan varias nomenclaturas para derivar los nombres de las aminas, pero todas involucran el sufijo de identificación de clase –ina como se ilustra aquí para algunos ejemplos simples:
En algunas aminas, el átomo de nitrógeno reemplaza a un átomo de carbono en un hidrocarburo aromático. La piridina (Figura \(\PageIndex{1}\)) es una de esas aminas heterocíclicas. Un compuesto heterocíclico contiene átomos de dos o más elementos diferentes en su estructura de anillo.
Figura \(\PageIndex{1}\) : La ilustración muestra una de las estructuras de resonancia de la piridina.
La ADN en la medicina forense y paternidad
El material genético de todos los seres vivos es un polímero de cuatro moléculas diferentes, que son una combinación de tres subunidades. La información genética, el código para el desarrollo de un organismo, está contenida en la secuencia específica de las cuatro moléculas, de manera similar a la forma en que las letras del alfabeto se pueden secuenciar para formar palabras que transmiten información. La información en una secuencia de ADN se usa para formar otros dos tipos de polímeros, uno de los cuales son proteínas. Las proteínas interactúan para formar un tipo específico de organismo con características individuales.
Una molécula genética se llama ADN, que significa ácido desoxirribonucleico. Las cuatro moléculas que componen el ADN se llaman nucleótidos. Cada nucleótido consiste en una molécula de anillo simple o doble que contiene nitrógeno, carbono, oxígeno e hidrógeno llamada una base nitrogenada. Cada base está unida a un azúcar de cinco carbonos llamado desoxirribosa. El azúcar se une a un grupo fosfato \(\ce{(-PO4^3-)}\) Cuando se produce un nuevo ADN, se produce una reacción de polimerización que une el grupo fosfato de un nucleótido al grupo azúcar de un segundo nucleótido. Las bases nitrogenadas de cada nucleótido salen de este esqueleto de azúcar y fosfato. En realidad, el ADN se forma a partir de dos de estos polímeros enrollados entre sí y unidos por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Por eso, las dos columnas vertebrales están en el exterior del par de las hebras enrolladas y las bases están en el interior. La forma de las dos hebras enrolladas entre sí se llama el doble hélice (Figura \(\PageIndex{2}\)).
Probablemente tiene sentido que la secuencia de los nucleótidos en el ADN de un gato es diferente que la de un perro. Pero también es cierto que las secuencias del ADN en las células de dos pugs individuales son diferentes. Del mismo modo, las secuencias de ADN en usted y un hermano difieren (a menos que su hermano sea un gemelo idéntico), al igual que las que se encuentran entre usted y un individuo no relacionado. Sin embargo, las secuencias de ADN de dos individuos relacionados son más similares que las secuencias de dos individuos relacionados, y estas similitudes en la secuencia se pueden observar de varias formas. Este es el principio detrás de las huellas dactilares de ADN, que es un método que se usa para determinar si dos muestras de ADN provienen de personas relacionadas (o iguales) o de personas no relacionadas.
Figura \(\PageIndex{2}\) : El ADN es una molécula orgánica y el material genético de todos los organismos vivos. (a) El ADN es una doble hélice que consiste en de dos cadenas de ADN simples unidas por hidrógeno en cada base nitrogenada. (b) Este detalle muestra los enlaces de hidrógeno (líneas de puntos) entre las bases nitrogenadas en cada hebra de ADN y la forma en que cada nucleótido se une al siguiente, formando una columna vertebral de azúcares y grupos fosfato a lo largo de cada hebra. (c) Este detalle muestra la estructura de uno de los cuatro nucleótidos que componen el polímero de ADN. Cada nucleótido consiste en una base nitrogenada (una molécula de doble anillo, en este caso), un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa) y un grupo fosfato.
Usando similitudes en las secuencias, los técnicos pueden determinar si un hombre es el padre de un niño (la identidad de la madre rara vez está en duda, excepto en el caso de un niño adoptado y una posible madre biológica). Asimismo, los genetistas forenses pueden determinar si una muestra de tejido humano de la escena del crimen, como sangre o células de la piel, contiene ADN que coincide exactamente con el ADN de un sospechoso.
Como el amoníaco, las aminas son bases débiles debido al par solitario de electrones en sus átomos de nitrógeno:
La basicidad del átomo de nitrógeno de una amina juega un papel importante en gran parte de la química del compuesto. Los grupos funcionales amina se encuentran en una extensa variedad de compuestos, incluidos los tintes, polímeros, vitaminas y medicamentos naturales y sintéticos, como la penicilina y la codeína. También se encuentran en muchas moléculas esenciales para la vida, como los aminoácidos, hormonas, neurotransmisores y ADN.
Los alcaloides adictivos
Desde la antigüedad, las plantas se han usado con fines medicinales. Se ha aislado una clase de sustancias, llamadas alcaloides, que se encuentran en muchas de estas plantas y se ha descubierto que contienen moléculas cíclicas con un grupo funcional amina. Estas aminas son bases. Pueden reaccionar con H 3 O + en un ácido diluido para formar una sal de amonio, y esta propiedad se usa para extraerlos de la planta:
\[\ce{R3N + H3O+ + Cl- ⟶[R3NH+]Cl- + H2O}\]
El nombre alcaloide significa "como un álcali". Por eso, un alcaloide reacciona con el ácido. El compuesto libre se puede recuperar después de la extracción usando una reacción con una base:
\[\ce{[R3NH+]Cl- + OH- ⟶R3N + H2O + Cl-}\]
Las estructuras de muchos alcaloides naturales tienen profundos efectos fisiológicos y psicotrópicos en los seres humanos. Ejemplos de estas drogas incluyen nicotina, morfina, codeína y heroína. La planta produce estas sustancias, llamadas colectivamente compuestos vegetales secundarios, como defensas químicas contra las numerosas plagas que intentan tomar alimentos de la planta:
En estos diagramas, como es común en la representación de las estructuras de los compuestos orgánicos grandes, los átomos de carbono en los anillos y los átomos de hidrógeno unidos a ellos se han omitido para hacer la claridad mejor. Las porciones sólidas indican enlaces que se extienden fuera de la página. Las porciones punteadas indican enlaces que se extienden en la página. Observe que pequeños cambios en una parte de la molécula cambian las propiedades de la morfina, la codeína y la heroína. La morfina, un narcótico fuerte que se usa para aliviar el dolor, contiene dos grupos funcionales hidroxilo, ubicados en la parte inferior de la molécula en esta fórmula estructural. El cambio de uno de estos grupos hidroxilo a un grupo metiléter forma la codeína, un fármaco menos potente usado como un anestésico local. Si ambos grupos hidroxilo se convierten en ésteres de ácido acético, se produce la heroína, una droga poderosamente adictiva (Figura \(\PageIndex{3}\)).
Figura \(\PageIndex{3}\) : Las amapolas se pueden usar en la producción del opio, un látex vegetal que contiene morfina a partir del cual se pueden sintetizar otros opiáceos, como la heroína. (crédito: Karen Roe)
Las amidas son moléculas que contienen átomos de nitrógeno conectados al átomo de carbono de un grupo carbonilo. Al igual que las aminas, se pueden usar varias reglas de nomenclatura para nombrar amidas, pero todas incluyen el uso del sufijo específico de clase -amida:
Las amidas se pueden producir cuando los ácidos carboxílicos reaccionan con aminas o amoníaco en un proceso llamado la amidación. Se elimina una molécula de agua de la reacción y la amida se forma a partir de las piezas restantes del ácido carboxílico y la amina (observe la similitud con la formación de un éster a partir de un ácido carboxílico y un alcohol discutido en la sección anterior):
La reacción entre las aminas y los ácidos carboxílicos para formar las amidas es biológicamente importante. A partir de esta reacción los aminoácidos (moléculas que contienen sustituyentes de amina y ácido carboxílico) se unen en un polímero para formar las proteínas.
Las proteínas y enzimas
Las proteínas son grandes moléculas biológicas formadas por largas cadenas de moléculas más pequeñas llamadas aminoácidos. Los organismos dependen de las proteínas para una variedad de funciones: las proteínas transportan moléculas a través de las membranas celulares, replican el ADN y catalizan las reacciones metabólicas, por nombrar solo algunas de sus funciones. Las propiedades de las proteínas son funciones de la combinación de aminoácidos que las componen y pueden variar mucho. Las interacciones entre las secuencias de aminoácidos en las cadenas de proteínas resultan en el plegamiento de la cadena en estructuras tridimensionales específicas que determinan la actividad de la proteína.
Los aminoácidos son moléculas orgánicas que contienen un grupo funcional amina (–NH 2 ), un grupo funcional ácido carboxílico (–COOH) y una cadena lateral (que es específica para cada aminoácido individual). La mayoría de los seres vivos construyen proteínas a los mismos 20 aminoácidos diferentes. Los aminoácidos se conectan mediante la formación de un enlace peptídico, que es un enlace covalente formado entre dos aminoácidos cuando el grupo ácido carboxílico de un aminoácido reacciona con el grupo amina del otro aminoácido. La formación del enlace resulta en la producción de una molécula de agua (en general, las reacciones que resultan en la producción de agua cuando se combinan otras dos moléculas se llaman las reacciones de condensación). El enlace resultante, entre el átomo de carbono del grupo carbonilo y el átomo de nitrógeno de la amina, se llama el enlace peptídico. Dado que cada uno de los aminoácidos originales tiene un grupo sin reaccionar (uno tiene una amina sin reaccionar y el otro un ácido carboxílico sin reaccionar), se pueden formar más enlaces peptídicos con otros aminoácidos, extendiendo la estructura. (Figura \(\PageIndex{4}\)) Una cadena de aminoácidos conectados se llama un polipéptido. Las proteínas contienen al menos una cadena polipeptídica larga.
Figura \(\PageIndex{4}\) : Esta reacción de condensación forma un dipéptido a partir de dos aminoácidos y resulta en la formación de agua.
Las enzimas son grandes moléculas biológicas y casi completamente hechas por proteínas, que son responsables por los miles de procesos metabólicos que ocurren en los organismos vivos. Las enzimas son catalizadores muy específicos; aceleran la velocidad de ciertas reacciones. Las enzimas funcionan reduciendo la energía de activación de la reacción que están catalizando, lo que puede aumentar drásticamente la velocidad de la reacción. La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas tienen velocidades millones de veces más rápidas que la versión no catalizada. Como todos los catalizadores, las enzimas no se consumen durante las reacciones que catalizan. Las enzimas son diferentes que otros catalizadores en lo específicas que son para sus sustratos (las moléculas que una enzima convertirá en un producto diferente). Cada enzima solo es capaz de acelerar una o unas pocas reacciones o tipos de reacciones muy específicos. Dado que la función de las enzimas es tan específica, la falta o el mal funcionamiento de una enzima puede tener consecuencias graves para la salud. Una enfermedad que es el resultado de un mal funcionamiento de una enzima es la fenilcetonuria. En esta enfermedad, la enzima que cataliza el primer paso en la degradación del aminoácido fenilalanina no funciona (Figura \(\PageIndex{5}6\)). Si no se trata, esto puede provocar una acumulación de fenilalanina, lo que puede provocar discapacidades intelectuales.
Figura \(\PageIndex{5}\) : Una representación por computadora muestra la estructura tridimensional de la enzima fenilalanina hidroxilasa. En la enfermedad de la fenilcetonuria, un defecto en la estructura de la fenilalanina hidroxilasa hace que pierda su función de descomposición de la fenilalanina.
El Kevlar
El Kevlar (Figura \(\PageIndex{6}\)) es un polímero sintético hecho de dos monómeros 1,4-fenilendiamina y cloruro de tereftaloilo (Kevlar es una marca registrada de DuPont). El primer uso comercial de Kevlar fue como reemplazo del acero en neumáticos de carreras. El Kevlar generalmente se gira en cuerdas o fibras. El material tiene una alta relación resistencia-peso a la tracción (es aproximadamente 5 veces más resistente que el mismo peso de acero), lo que lo hace útil para muchas aplicaciones, desde neumáticos de bicicleta hasta velas y chalecos antibalas.
Figura \(\PageIndex{6}\) : Esta ilustración muestra la fórmula del Kevlar polimérico.
El material debe su resistencia a los enlaces de hidrógeno entre las cadenas de polímeros (consulte el capítulo sobre las interacciones intermoleculares). Estos enlaces se forman entre el átomo de oxígeno del grupo carbonilo (que tiene una carga negativa parcial debido a la electronegatividad del oxígeno) en un monómero y el átomo de hidrógeno con carga parcial positiva en el enlace N-H de un monómero adyacente en la estructura del polímero (líneas discontinuas en la Figura \(\PageIndex{7}\)). Existe una fuerza adicional derivada de la interacción entre los orbitales p sin hibridar en los anillos de seis miembros, llamado apilamiento aromático.
Figura \(\PageIndex{7}\): El diagrama muestra la estructura del polímero de Kevlar, con enlaces de hidrógeno entre las cadenas de polímero representados por líneas de puntos.
El Kevlar puede ser más conocido como un componente de chalecos antibalas, cascos de combate y máscaras faciales. Desde la década de 1980, el ejército de EE.UU. ha usado Kevlar como un componente del casco y chaleco PASGT (sistema de armadura personal para tropas terrestres). El Kevlar también se usa para proteger vehículos blindados de combate y portaaviones. Las aplicaciones civiles incluyen el equipo de protección para el personal de servicios de emergencia, como los chalecos antibalas para los agentes de policía y ropa resistente al calor para bomberos. La ropa a base de Kevlar es considerablemente más liviana y delgada que el equipo equivalente fabricado con otros materiales (Figura \(\PageIndex{8}\)).
Figura \(\PageIndex{8}\) : (a) Estos soldados están clasificando piezas de un casco de Kevlar que ayudó a absorber la explosión de una granada. El Kevlar también se usa para fabricar (b) canoas y (c) líneas de amarre marinas. (crédito a: modificación del trabajo de “Cla68” / Wikimedia Commons; crédito b: modificación del trabajo de “OakleyOriginals” / Flickr; crédito c: modificación del trabajo de Casey H. Kyhl)
Además de sus usos más conocidos, el Kevlar también se usa a veces en la criogenia por su conductividad térmica muy baja (junto con su alta resistencia). El Kevlar mantiene su alta resistencia cuando se enfría a la temperatura del nitrógeno líquido (–196 °C).
La tabla aquí resume las estructuras discutidas en este capítulo:
Resumen
La adición de nitrógeno en un sistema orgánico resulta en dos familias de moléculas. Los compuestos que contienen un átomo de nitrógeno unido en una estructura de hidrocarburo se clasifican como aminas. Los compuestos que tienen un átomo de nitrógeno unido a un lado de un grupo carbonilo se clasifican como amidas. Las aminas son un grupo funcional básico. Las aminas y los ácidos carboxílicos se pueden combinar en una reacción de condensación para formar amidas.
Glosario
- amina
- molécula orgánica en la que un átomo de nitrógeno está unido a uno o más grupos alquilo
- amida
- molécula orgánica que presenta un átomo de nitrógeno conectado al átomo de carbono en un grupo carbonilo
Contribuyentes y atribuciones
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Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
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Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.