Libro de Química Orgnánica

Las aminas primarias y secundarias pueden participar en la formación de puentes de hidrógeno intermoleculares, pero las aminas terciarias puras como no tienen enlaces N-H, no pueden formar puentes de hidrógeno, sin embargo pueden aceptar enlaces de hidrógeno con moléculas que tengan enlaces O-H o N-H. Las aminas primarias y secundarias son compuestos polares, capaces de formar puentes de hidrógeno entre sí y con el agua, esto los hace solubles en ella. La solubilidad disminuye en las moléculas con más de seis átomos de carbono y en las que poseen el anillo aromático. Fig. 10.1. Puentes de hidrógeno intermolecular Todas las aminas, incluso las terciarias, pueden comportarse como aceptoras de un protón en puentes de hidrógeno con moléculas de agua. Las arilamina más simple, la anilina, es líquida a temperatura ambiente, y su punto de ebullición es 184°C. Casi todas las demás arilaminas tienen puntos de ebullición más altos. La anilina sólo es ligeramente soluble en agua (3g/100 ml). Los derivados sustituidos de la anilina tienden a ser todavía menos solubles en agua. Tabla 10.1: Constantes físicas de algunas aminas Nombre P.F. (°C) P. eb (°C) Solubilidad (g/100 g de H2O) Metilamina -92 -7,5 Dimetilamina -96 7,5 Muy soluble Trimetilamina -117 3 Muy soluble Fenilamina -6 184 91 3,7 199

Difenilamina 53 302 Insoluble Metilfenilamina -57 196 Muy poco soluble Basicidad de las aminas Es más útil describir la basicidad de las aminas en función de los valores de pKa de sus ácidos conjugados que por sus constantes de basicidad, Kb. Siempre se debe tener en cuenta que: Mientras más básica es la amina, su ácido conjugado es más débil. Mientras más básica es la amina, el valor del pKa de su ácido conjugado es mayor. Al citar la basicidad de una amina de acuerdo de acuerdo con el valor de pKa de su ácido conjugado, es posible analizar las reacciones ácido-base de las aminas de acuerdo con las relaciones de Brönsted acostumbradas. Ejemplo: +-- H O O O H3C NH2 ++ _ O H3C NH 3 ácido acétiCcoH3 CH3 ( ácido más fuerte; pKa= 4. 7 ) etilamina ion metilamonio ion acetato ( ácido más débil; pKa= 10. 7 ) A la inversa, cuando se agrega hidróxido de sodio a una sal de amonio, se transforma en la amina libre: H3C H + _ -- +-- -- : OH H OH N+ -- H3C NH2 H -- H ion metilamonio ion hidróxido metilamina agua ( ácido más débil; pKa= 15. 7) ( ácido más fuerte; pKa= 10. 7) Su basicidad permite contar con un medio para separar las aminas de los compuestos orgánicos neutros. Una mezcla que contenga una amina se disuelve en éter dietílico, y se agita con ácido clorhídrico diluido para convertir la amina en una sal de amonio. Como es iónica a sal de amonio, se disuelve en la fase acuosa, que se separa de la capa etérea. Al agregar hidróxido de sodio a la capa acuosa, la sal de amonio se convierte de nuevo en la amina libre, que entonces se separa de la fase acuosa por extracción con una porción fresca de éter diétilico. Las aminas son bases débiles, pero como clase, las aminas son las bases más fuertes de todas las sustancias neutras. 200

Tabla 10.2. Basicidad de las aminas. Basicidad de las aminas, de acuerdo con el valor de pKa de sus ácidos conjugados Compuesto Estructura pKa del ácido conjugado Amoniaco NH3 9.3 Aminas primarias Metilamina CH3NH2 10.6 Etilamina CH3CH2NH2 10.8 Isopropilamina (CH3)2 CHNH2 10.6 Ter-butilamina (CH3)3CNH2 10.4 4.6 Anilina C6H5NH2 Aminas secundarias Dimetilamina (CH3)2NH 10.7 Dietilamina (CH3CH2)3NH 11.1 N- metilamina C6H5NHCH3 4.8 Aminas terciarias Trimetilamina (CH3)3N 9.7 Trietilamina (CH3CH2)3N 10.8 N,N-dimetilanilina C6H5N(CH3)2 5.1 Las relaciones más importantes que se pueden observar en esos datos son: 1. Las alquilaminas son bases un poco más fuertes que el amoniaco. 2. Las alquilaminas difieren un poco entre sí en cuanto a basicidad. Sus basicidades abarcan un intervalo menor que 10 en sus constantes de equilibrio. (1 unidad de pka). 3. Las arilaminas son bases, aproximadamente un millón de veces (6 unidades de pK), más débiles que el amónico y las alquilaminas. Reacciones de las aminas La característica estructural de las aminas en que radican todas estas reacciones (como nucleófils en las reacciones de acilación y como nucleófilos en las reacciones de alquilación) y la cual forma la base para comprender la mayor parte de la química de las aminas, es la capacidad del nitrógeno de compartir un par de electrones. + + N: + H NH Una amina que actúa como base N: + R Br ++ R _ Br N Una amina que actúa como nucleófilo en una reacción de alquilación 201

N: + R O O (-HCl) .. N Cl R Una amina que actúa como nucleófilo en una reacción de acilación En loa ejemplos anteriores, la amina actúa como nucleófilo donando su par de electrones a un reactivo electrófilico. En el siguiente ejemplo las contribuciones a la resonancia que involucran al par de electrones del nitrógeno, hacen nucleófilos a los átomos de carbono. H HH HH H N+ N: H N: E + E E -H+ HH HH HH N: N+ N: -H+ E+ H E E El grupo amino que actúa como un grupo activador y como orientador orto- para en la sustitución aromática electrofílica Oxidación de aminas Las aminas alifáticas primarias y secundarias están sujetas a oxidación, aunque en la mayoría de los casos no se obtienen productos útiles. Con frecuencia se producen complicadas reacciones colaterales que provocan la formación de mezclas complejas. Las aminas terciarias se pueden oxidar, en forma bastante selectiva, a óxidos de aminas terciarias. Esta transformación se puede llevar a cabo utilizando peróxido de hidrógeno o un peroxiácido. Reacciones de las aminas primarias alifáticas con ácido nitroso 202

Las aminas primarias alifáticas reaccionan con el ácido nitroso por medio de una reacción llamada diazotación; para formar sales de diazonio alifáticas muy inestables. Incluso a bajas temperaturas, las sales de diazonio alifáticas se descomponen en forma espontánea perdiendo nitrógeno para formar carbocationes. Los cabocationes producen mezclas de alquenos, alcoholes y haluros de alquilo por eliminación de H+, por reacción con agua y por reacción con X--. Reacción general El mecanismo de la formación de la sal de diazonio comienza con un ataque nucleofílico del ion nitrosonio para formar una N-nitrosoamina. H H RN R N: ++ O H2O +R N + N N+ O NO H3O H ion H H amina primaria nitrosonio N- nitrosoamina A continuación, la transferencia de un protón de un átomo de nitrógeno al oxigeno forma un grupo hidroxilo y un segundo enlace N-N. La protonación del grupo hidroxilo, seguida de pérdida de agua, produce el catión diazonio. 203

R N¨ N¨ OH + R N¨ N¨ + +R N+ N: H2O H3O OH 2 catión de diazonio La reacción total de diazonio es: R N+ CH _ + +R NH2 sal de diazonio + +Cl NaNO 2 2HCl 2H2O NaCl amina primaria nitrito de sodio Las sales de alcanodiazonio son inestables. Se descomponen rápidamente en nitrógeno y carbocationes. R N+ N: + catión de +R :N N: alcanodiazonio carbocatión nitrógeno La fuerza impulsora para esta reacción es la formación de N2, una molécula excepcionalmente estable. Los carbocationes que se generan de este modo reaccionan como otros cationes por ataque nucleofílico para dar sustitución, por sustracción de protón para dar eliminación, y por rearreglo. Debido a los muchos caminos de reacción que compiten, por lo general las sales de alcanodiazonio se descomponen para dar mezclas de productos. Por tanto, la diazoación de las alquilaminas primarias no se emplea mucho para síntesis. Reacción con aminas secundarias: formación de N-nitrosoaminas. Las aminas secundarias reaccionan con el ion nitrosonio para formar N- nitrosoaminas secundarias. H H H2O¨ : R N¨ N¨ O: + R+ N ¨ R N: + O + H3O NO R +N ion N-nitrosoamina R R ion amina secundaria nitrosonio Las N- nitrosoaminas secundarias son estables bajo las condiciones de reacción, porque no tienen al protón N---H necesario para participar en la segunda etapa de la reacción (que se muestra arriba con una amina primaria) de formación de cationes de diazonio. Se ha demostrado que pequeñas cantidades de N- nitrosoaminas causan 204

cáncer en animales de laboratorio. Estos hallazgos han causado preocupación acerca de la práctica normal de emplear nitrito de sodio para preservar carnes como tocino, jamón y salchichas. Cuando se ingiere esta carne, el nitrito de sodio se combina con el ácido gástrico formando ácido nitroso, que convierte las aminas del alimento en N- nitrosoaminas. Como los nitritos están presentes normalmente en muchos otros alimentos, no se sabe hasta qué punto se corre un riesgo adicional al emplear el nitrito para protegerlos. Reacciones con aminas terciarias. Las aminas terciarias reaccionan con el ion nitrosonio formando sales de N- nitrosoamonio. Como no hay protón N---H ácido en la sal de N- nitrosoamonio terciario, es imposible la pérdida de un protón para dar N- nitrosoamina. Simplemente se presenta un equilibrio entre la amina y la sal de N-nitrosoamonio. R + O R R +N R N: + N NO R ion amina terciaria nitrosonio R ion N-nitrosoamonio Síntesis de aminas por aminación reductiva. Se iniciará con dos métodos generales de síntesis y a continuación se describirán varios métodos que se pueden aplicar a tipos específicos de aminas. La aminación reductiva, el método más general de síntesis de aminas, implica la reducción de la imina u oxina de una cetona o aldehído. L a imina u oxina se reducen con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) o por hidrogenación catalítica. El producto puede ser una amina primaria, secundaria o terciaria, dependiendo de si la amina que se utilizó como materia prima tenía cero, uno o dos grupos alquilo. Aminas primarias. Se forman por condensación de la hidroxilamina (cero grupos alquilo) con una cetona o un aldehído, seguida de la reducción de la oxima. Es una reacción cómoda, porque la mayor parte de las oximas son compuestos estables que se aíslan fácilmente. La oxima se reduce mediante reducción catalítica, con hidruro de litio y aluminio, o con cianoborohidruro de sodio (NaBH3CN). O H2N-OH OH reducción NH2 N R R1 + R R1 cetona o aldehído R R1 amina primaria H oxima 205

Ejemplos: Aminas secundarias. La condensación de una cetona o un aldehído con una amina primaria forma una imina N-sustituida (base de Schiff). La reducción de esta imina produce una imina secundaria. O R2-N¨ H2 N¨ R2 N¨HR 2 H+ reducción R R1 R CH3 cetona o aldehído R R1 amina secundaria imina N- sustituida Ejemplo: O :N Ph N¨HPh H3C CH3 Ph -N¨ H2 LiAlH 4 H+ H3C CH3 H3C CH3 acetona f enilisopropilamina ( 75 % ) Aminas terciarias. La condensación de una cetona o un aldehído con una amina secundaria estas sales son frecuencia inestables y por lo mismo no se aíslan. Un agente reductor en la solución reduce la sal de iminio a una amina terciaria. El agente reductor debe ser capaz de reducir la sal de iminio, pero no de reducir al grupo carbonilo de la 206

cetona o aldehído. El cianoborohidruro de sodio (NaBH3CN) trabaja bien en esta reducción, porque es menos reactivo que el borohidruro de sodio, y no reduce al grupo carbonilo. O RR RR N+ N¨ R-N¨H-R NaBH 3CN R1 R2 H+ cetona o aldehído R1 R2 R1 R2 sal de iminio amina terciaria Ejemplo: H3C N¨ CH3 H O H3C N+ CH3 HN¨( CH 3 )2 NaBH 3CN H+ ciclohexanona sal de iminio N,N- dimetilciclohexilamina Síntesis de aminas por acilación y reducción. La síntesis general de las aminas es por acilación-reducción. Como la aminación reductiva, la acilación-reducción agrega un grupo alquilo al átomo de nitrógeno de la amina inicial. La acilación de la amina inicial por un cloruro de ácido produce una amida, sin tendencia hacia la sobreacilación. La reducción de la amida mediante el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) produce la amina correspondiente. Aminas primarias O O + NH3 R NH2 LiAlH 4 R NH2 amida primaria amina primaria R Cl cloruro de ácido amoniaco Ejemplo: 207

Aminas secundarias O O R1 LiAlH 4 + R1 NH2 R NH amina primaria R NH R1 R Cl cloruro de ácido amida N-sustituida amina secundaria Ejemplo: Aminas terciarias. O O R LiAlH 4 + R2NH R NR 2 R Cl NR 2 amina terciaria cloruro de ácido amina amina secundaria N,N- disustituida Ejemplo: (CH3CH 2)2 N¨ O (CH3CH 2)2 N¨ O Cl + H--N¨ ( CH 2CH 3 )2 LiAlH 4 cloruro de benzoilo dietilamina N,N- dietilbenzamida benzildietilamina Reducción de nitrocompuestos; síntesis de arilaminas: Los grupos nitros tanto aromáticos como alifáticos se reducen con facilidad a grupos amino. Los métodos más comunes son la hidrogenación catalítica y la reducción en ácido mediante un metal activo. 208

R NO 2 H2 / catalizador R NH2 o bien metal activo y H + catalizador = Ni, Pd o Pt metal activo = Fe, Zn o Sn Ejemplos: H3C CH3 Sn, H 2SO4 H3C _ H3C CH3 CH3 OH NO 2 _ +NH 3 : NH2 2-nitropentano HSO 4 2-aminopentano La reducción de compuestos nitro se emplea principalmente para la síntesis de la benzocaína (anestésico tópico). Note que el grupo nitro no es afectado por las reacciones de oxidación y esterificación. El paso final reduce al grupo nitro a la amina relativamente sensible (al paso de oxidación). O OH O OCH 2CH 3 CH3 CH3 HNO 3 _ CH 3CH 2OH, H+ H2SO 4 ( 1) KMn+O 4, OH (2)H NO 2 NO 2 esterificación NO 2 nitración oxidación 209

Síntesis de Gabriel de las aminas primarias. Se pueden sintetizar las aminas primarias sin peligro alguno de sobrealquilación mediante el empleo de una forma protegida de amoniaco que no se puede alquilar más que una vez. La síntesis de Gabriel de las aminas primarias emplea la ftalimida como derivado protegido del amoniaco. Esta ftalimida tiene un protón ácido N-H que se elimina mediante el hidróxido de potasio para dar el anión ftalimida. O : O: : O¨ :_ : O: KOH _ N: N: : NH H2O : N: _ O :O: : O: : O..: f talimida anión ftalimida estabilizado por resonancia La síntesis siguiente de la isopentilamina es un ejemplo típico de la síntesis de Gabriel. O CH 3 O CH 3 _ K+ Br-CH 2CH 2CHCH 3 : N: : N CH 2CH 2CHCH 3 bromuro de isopentilo O O N-isopentilftalimida ftalimida de potasio 210

O H2N NH2 CH 3 O CH 3 hidrazina +H2N¨ -CH 2CH 2CHCH 3 NH :N CH 2CH 2CHCH 3 NH O O N-isopentilftalimida isopentilamina ( 95 % ) Reducción de nitrilos a aminas primarias. Los nitrilos se reducen a aminas primarias ya sea mediante el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) o por hidrogenación catalítica. Esta reducción constituye otro método para la síntesis de las aminas primarias. R H2/catalizador, o LiAlH 4 RCH 2 N¨ H2 nitrilo N: amina primaria Ejemplo: H3C LiAlH 4 H3C N¨ H2 éter N: propanonitrilo 1- propanamina ( 75 % ) Como los nitrilos se pueden sintetizar por desplazamiento SN2 de los halogenuros de alquilo y tosilatos, son intermediarios útiles para la síntesis de las aminas. Cuando el grupo ciano, --C N” se agrega y a continuación se reduce, la amina resultante tiene un átomo adicional de carbono. +R X _ R N: LiAlH 4 ¨ :C N: R NH2 o bien H 2/catalizador halogenuro o tosilato nitrilo amina (debe ser 1° o 2° ) ( un carbono más ) Ejemplo: H2 CH 2CH 2N¨ H 2 N: Ni Br N: _ f enilacetonitrilo B- feniletilamina :C bromuro de bencilo 211

Rearreglo de Hofmann de las amidas: En presencia de una base fuerte, las aminas primarias reaccionan con el cloro o el bromo formando aminas con un átomo de carbono menos que la materia prima, pues se pierde el carbono del carbonilo. A esta reacción se le llama rearreglo de Hofmann y se usa para sintetizar alquil y aril aminas primarias. Rearreglo de Hofmann O + + +¨ 2H2O R NH2 + +R X2 4NaOH 2NaX Na 2CO 3 NH2 ( X2= Cl 2 o Br 2 ) amina amida primaria Ejemplo: O _ H3C H3C NH2 Cl 2, OH NH2 hexanamida H2O 1- pentanamina El mecanismo del rearreglo de Hofmann es interesante porque implica algunos intermediarios no encontrados anteriormente. El primer paso es el reemplazo de uno de los hidrógenos del nitrógeno por un halógeno. Este paso es posible porque los protones N-H de la amida son ligeramente ácidos, y una base fuerte desprotona una pequeña fracción de las moléculas de amida. O _OH : O¨ N¨ :_ : O¨ :_ O H R H R N¨ Br H R N: RN H H ¨ amida primaria amida desprotonada Br Br N-bromo amida Debido a la naturaleza electronegativa del bromo, la N- bromoamida se desprotona más fácilmente que la amida primaria original. La desprotonación de la N- bromoamida produce otro anión estabilizado por resonancia. La amida desprotonada tiene un átomo de bromo presente como grupo saliente potencial. Sin embargo, para que salga el bromuro, el grupo alquilo (R-) debe emigrar al nitrógeno. Este es el paso para el rearreglo, dando un isocianato intermediario. 212

amida primaria R O N¨ :_ :O¨ :_ R N¨ _ Br O_ Br +O¨ Br OH RN ¨ H ¨ R N: isocianato Br desprotonada N-bromo amida Los isocianatos reaccionan rápidamente con agua para formar los ácidos carbámicos. :O¨ :_ O O _ H OH H_ N¨ R N¨ R R R + OH isocianato N¨ N O OH ¨ OH ¨ OH _ OH ácido carbámico La descarboxilación del ácido carbámico forma la amina y dióxido de carbono. N¨ H O R N¨ H O +R N¨ H CO 2 R _ _ OH ¨ O OH R N¨ H H OH -2 _ ¨ + +R NH2 CO 3 OH  Introducción a los amínales. A pesar que desde tiempos inmejorables, brujos, alquimistas, científicos e industriales han estudiado la química, su inmensidad permite que aún hoy se encuentren sustancias de las cuales se desconoce o se conoce muy poco sobre su comportamiento. Esta es una de las características que hace de la química una ciencia viva que siempre tendrá un horizonte; un horizonte grato para los amantes de la ciencia y la investigación. Dentro de aquellas sustancias sobre las cuales se conoce muy poco en lo relacionado con su comportamiento químico (a pesar de presentar en su estructura características que hacen interesante su estudio), se encuentran los amínales macrocíclicos, sustancias orgánicas que despiertan particular interés por presentar en su estructura dos sitios de reactividad química diferente que les permiten reaccionar como electrófilo o como nucleófilo. El término aminal, fue introducido en 1956 para designar los equivalentes aminados de acetales y mercaptales. Son gem-diaminas que se caracterizan por la presencia de dos grupos di o mono sustituido en el mismo átomo de carbono, el cual le confiere 213

propiedades químicas especiales en reacciones frente a nucleofilos. Los aminales pueden ser de cadena abierta como la metilendiamina o cíclicos como la 1,3- hexahidropirimidina. Fig. 10.2. Estructuras de amínales de cadena abierta y cerrada. NN NN NN NN N NNN NN NN TMTP 1, 3- bis (benzotriazolil-metil )hexahidropirimidina 1: 3, 7: 9, 13: 15, 19: 21-tetrametilentetrahexahidropirimidina N NN NN NN N NN NN 3, 8 DMDBTA hexametilentetramina 1, 3, 6, 8- tetrazatriciclo 4. 4. 1. 1 -dodecano urotropina TATD Se debe tener en cuenta que la denominación cíclica se emplea cuando la función amínal hace parte de un heterociclo y cuando dicha función está en ciclos más grandes que involucran varios sistemas anulares, se les conoce como amínales macrocíclicos, tales como el TMTP, la urotropina, el TATD, DMDBTA, entre otros. El tamaño del sistema anular y la forma general de la molécula son factores importantes en la reactividad química de los amínales cíclicos. Los amínales se obtienen por reacción de carbinolaminas con aminas primarias o secundarias, igualmente por condensación de éstas últimas o de amoníaco con compuestos carbonilicos, generalmente aldehído. Por esta razón y dependiendo de su origen, pueden ser llamados ceto o aldoaminales. Otra forma de obtenerlos es por reacción de compuestos metilendiclorados con aminas o amoníaco. 214

Las 1,1-diaminas también pueden ser asimétricas, de hecho la reacción de formaldehido con diclohexilamina y cualquier otra amina secundaria es un método muy corriente para obtenerlas. En cuanto a la síntesis de gem diaminas cíclicas, se tiene referencia acerca de la obtención regioespecífica y estereoselectiva de perhidropirimidinas sustituidas a partir de la reacción de agentes reductores como el borohidruro de sodio sobre anillos pirimidinicos, y posterior reacción con formaldehido o cualquier otro aldehído. Por poseer dos grupos amino, las 1,1-diaminas pueden formar fácilmente sales de amonio, en medio acuoso y utilizando un equivalente de HCl o HBr se descomponen en la amina y el compuesto carbonilico de los que provienen. O R R NH N N +HCl R R H2O 2R R CH2 En disolventes apróticos no polares (carecen de grupos –OH y no solvatan los aniones con mucha fuerza), y utilizando un equivalente de HCl, HBr o CH3Br forman sales de mono o diamonio, sin embargo estas sales no tienen tiempos de vida media muy largos, ya que el carbocatión producto de su descomposición es más estable. R RR R _ R R HCl + N HCl N+ N N N 2Cl N R R R R_ R H RH Cl H Fig. 10.3. Disolventes apróticos no polares + R N+ CH2 R R CH 2 N R En medio básico, la mayoría de las gem diaminas son muy estables y frente al calor algunas no alteran su estructura, pero las que tienen átomos de hidrógeno en la posición 2 o son secundarios, con un leve calentamiento se descomponen en las respectivas imina y amina. 215

Las 1,1-diaminas cíclicas se transforman en aminas de cadena abierta por hidrogenación catalítica, y la ruptura del anillo tiene lugar en el carbono aminálico. R N H2 Pt NHR N 1 atm N RR El estudio de los amínales macrocíclicos despierta particular interés ya que además de tener en su estructura por lo menos un carbono metilénico en medio de dos nitrógenos, por su tamaño y conformación anular presentan tensiones angulares, torsión y compresión de enlace, que se ven reflejados en una alta reactividad química. Se sabe que en los heterociclos saturados la barrera rotacional de los enlaces carbono- heteroátomo dentro del sistema anular, es menor que la del enlace carbono-carbono; pero en los amínales, por estar los heteroátomos separados por un solo átomo de carbono, los pares de electrones solitarios de los heteroátomos interactúan y prefieren adquirir conformaciones en que sus orbitales se ubiquen perpendiculares entre sí y lo más alejado posible, generando todo esto un aumento de la barrera rotacional llegando a ser similar a la del enlace heteroátomo-heteroátomo. El TMTP: Compuesto que se obtiene a través de la condensación de formaldehido con 1,3- propanodiamina. +NH2 8 H NN NN 4 H2N O NN H NN Su estructura está formado por 8 funciones aminálicas, las cuales le confieren propiedad como electrófilo por la presencia de los carbonos aminálicos y una actividad como nucleófilo por la presencia de los nitrógenos. De lo poco que se conoce de este compuesto se ha determinado su reactividad frente a fenoles, el ácido nitroso y con aminas aromáticas. La química y modo de reacción de estos amínales aunque muy interesante, es poco estudiada. Se conocen estudios que describen una condensación tipo Mannich en medio alcalino entre TATD y fenoles. Dichos estudios han demostrado que estos 216

compuestos pueden considerarse como agentes aminometilantes. Si observamos en la figura 10.4 , la reacción general de Mannich, involucra la combinación de un aldehído, generalmente , formaldehido, una amina y un compuesto que presenta hidrógenos activos produciendo una amino metilación sobre el compuesto que presenta hidrógenos activos, así generando la base de Mannich. +R1 NH H + R3 H R1 N R3 H2O R2 H R2 + O Fig. 10.4. Reacción general de Mannich. El tamaño del sistema anular y la forma general de la molécula son factores importantes en la reactividad química de los amínales cíclicos. Para el caso del TMTP, obtenido a partir de la condensación de formaldehido con 1,3-propanodiamina, son poco los trabajos en cuanto a su reactividad química, demostrándose el estudio que involucra la reacción de TMTP con fenol para-sustituidos, como p-cresol, p-clorofenol y el fenol. Los productos de estas reacciones son compuestos heterocíclicos del tipo: 2,2´- (dihidropirimidina-1,3-(2H, 4H)-dimetanodiil)-bis-(4-sustituidos fenoles), también conocidos como 1,3-bis-(hidroxibencil)-hexahidropirimidinas, cuya estructura corresponde a bases de tipo di-Mannich. OH OH OH NN NN + NN RR NN R 1, 3- bis- (hidroxibencil)- hexahidropirimidinas fenol \"para\"-sustituidos NN TMTP Reacción general TMTP con fenoles p-sustituidos En principio estas bases de Mannich deben presentar interacciones tipo puente de hidrógeno, los cuales empiezan a jugar un papel importante en las propiedades físicas, químico y espectroscópico. En otras investigaciones se confirmó la reactividad del TMTP con el auxiliar sintético benzotriazol (reacciona como grupo saliente, puede ser incorporado fácilmente y al final de la secuencia de reacciones es posible recuperarlo para ser usado nuevamente, e incrementa la acidez de hidrógenos alfa) y obtener el aminal 1,3- bis- (benzotriazolilmetil)-hexahidropirimidina. Al reaccionar este aminal frente a nucleófilos, como el 2-naftol, se genera el 1-(1H-benzotriazol-1-metil-il)-naftalen-2-ol, 217

sólido blanco, punto de fusión: 212-215°C, soluble en cloroformo, DMF, DMSO; insoluble en etanol, agua. NN N N NN N NN HN N NN NN 2 NN +4 NN Obtención de 1,3-bis-(benzotriazolilmetil)-hexahidropirimidina N N N N OH OHN N NN NN N + Síntesis de 1-(1H-benzotriazol-1-metil-il)-naftalen-2-ol Este compuesto obtenido fue caracterizado por métodos espectroscópicos como RMN 1H, 13C mono-dimensional y purificado por métodos clásicos, como recristalización y cromatografía de columna. Ruta mecanística. 218

Ruta mecanística para la obtención de 1-(1H-benzotriazol-1-metil-il)-naftalen-2-ol En una primera etapa ocurre el ataque nucleofílico del carbono en posición 1 del 2- naftol hacia el carbono en posición 1´ (metileno) mediada por la formación de un puente de hidrógeno intermolecular entre el 2-naftol con un nitrógeno aminal del anillo hexahidropirimidinico. Cabe destacar que el carbono metilénico, posee baja densidad electrónica debido a que se encuentra despolarizado por el efecto inductivo (electronegatividad) que ejercen los dos heteroátomos ( átomos de nitrógeno), por lo tanto se encuentra doblemente activado, convirtiéndolo en un electrófilo fuerte. Además, el puente de hidrógeno intermolecular formado, polariza aún más al grupo metileno aumentando su electrofilia. De esta manera, se forma un intermediario que no se aisló del medio de reacción, el cual pierde un protón por parte de la base (trietilamina) para regenerar su aromaticidad formando un intermediario, que por protonación se convierte en el compuesto, objeto de estudio. 219

CUESTIONARIO DE REPASO 1. La siguiente es la composición de la adrenalina HO HH HO CH 2 N CH 3 OH De acuerdo con ésta, se puede establecer que las funciones orgánicas presentes en la adrenalina son A. Fenol, alcohol y amina B. alqueno, alcano, alcohol y amida C. cicloalcano, alqueno y amida D. fenol, alcohol, amina y éster 2. La metilamina es más básica que el metanol, debido a A. su diferente solubilidad en el agua B. la menor electronegatividad del nitrógeno C. la mayor electronegatividad del nitrógeno D. su menor peso molecular 3. En medio básico, la mayoría de las gem-diaminas son muy estables y frente al calor algunas no alteran su estructura, pero las que tienen átomos de hidrógeno en la posición 2 o son secundarias, con un leve calentamiento se descomponen en A. amida y amina B. imina y amina C. enamina y aminal D. anhídrido y amina 4. Cuando la función aminal hace parte de una estructura cíclica que involucre varios sistemas anulares, el aminal se le clasifica A. macrocíclico B. microcíclico C. alifático C. funcional 220

5. Las 1,1-diaminas cíclicas se transforman en aminas de cadena abierta por hidrogenación catalítica R N H2 Pt N 1 atm R N R NHR Según éste esquema, la ruptura del anillo tiene lugar en el carbono A. alifático B. primario C. aminálico D. secundario 221

UNIDAD N° 11. NOCIONES DE BIOQUÍMICA LOGROS: Al finalizar esta unidad esperamos que usted pueda: Comprender los fundamentos celulares de la bioquímica y analizar la importancia de los alimentos como fuente de energía para los seres vivos. Explicar las características estructurales de las proteínas e identificarlas en algunos alimentos. Explicar la estructura de los aminoácidos, péptidos y proteínas. Nombrar las enzimas digestivas y explicar la función de cada una. Relacionar las hormonas con las glándulas productoras y la función. Valorar la aplicación farmacológica de los alcaloides y analizar su acción fisiológica. Explicar la función de las vitaminas, identificar los alimentos que las posee y relacionar enfermedades con la carencia de éstas. Reconocer los seres vivos como componentes biológicos y químicos. Identificar algunas sustancias químicas presentes en los organismos. INTRODUCCIÓN ¿Qué es la bioquímica? Es el estudio de la química, y lo que se relaciona con ella, de los organismos biológicos. Forma un puente entre la química y la biología, al estudiar como tienen lugar las estructuras y las reacciones químicas complejas que dan lugar a la vida y a los procesos químicos de los seres vivos. La bioquímica no puede considerarse ni completamente dentro de la biología ni dentro de la química, la bioquímica es una disciplina en sí misma. La bioquímica es esencialmente el estudio de la estructura y la función de los componentes celulares (tales como enzimas y organelos celulares) y los procesos que 222

ocurran por y sobre macromoléculas orgánicas, incluyendo a los carbohidratos, lípidos, ácidos nucléicos y especialmente a las proteínas y, también, otras biomoléculas. La bioquímica, es la química de la vida. Debemos establecer que la bioquímica es la ciencia que estudia las diversas moléculas que se presentan en las células y organismos vivos, las reacciones y procesos que experimentan. El prefijo bio: procede de bios, término griego que significa vida. El campo de la bioquímica es tan amplio como la vida misma, ya que donde quiera que exista vida, se producen procesos químicos. También abarca extensas áreas de la biología celular, biología molecular y la genética molecular. Durante el curso describiremos algunas de las biomoléculas (proteínas, lípidos, etc.) y la importancia que tiene en cada organismo. PROTEINAS Las proteínas son biomoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos. El nombre se origina de la palabra griega πρштєĩos (proteicos), que significa primero, lo principal, lo más importante), o del dios prote, por la cantidad de formas que pueden tomar. Desde el punto fisicoquímico, las proteínas se pueden clasificar en proteínas simples (holoproteidos), que por hidrólisis dan solo aminoácidos o sus derivados; proteínas conjugadas (heteroproteidos), que por hidrólisis dan aminoácidos acompañados de sustancias diversas, y proteínas derivadas, sustancias formadas por desnaturalización y desdoblamiento de las anteriores. Las proteínas son indispensables para la vida, sobre todo por su función plástica (constituyen el 80% de protoplasma deshidratado de toda la célula), pero también por su función biorreguladora (forma parte de las enzimas) y de defensa (los anticuerpos son proteínas). Fig. 11.1. Función de una proteína. 223

Las proteínas son las moléculas más versátiles y más diversas. Son fundamentales para el crecimiento del organismo. Entre sus funciones se destacan: Enzimáticas (ej. Sacarosa y pepsina) Inmunológica (anticuerpos). Contráctil (actina y miosina). Estructural: es la función más importante de una proteína. (Colágeno). Protectora y defensiva (trombina y fibrinógeno). Las proteínas están formadas por aminoácidos, los que a su vez están formadas por enlaces peptídicos para formar esfíngocinas. Las moléculas de proteínas se distinguen por su gran tamaño, por lo que se le conoce como macromoléculas. Una proteína está formada por miles de átomos, principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Otros elementos como el mercurio, el fósforo y el azufre, integran aunque en menor proporción, esta clase especial de compuestos. El contenido de nitrógeno representa, por término medio, 16% de la masa total de la molécula; es decir, cada 6,25 g de proteína contienen 1 g de N. El factor 6,25 se utiliza para estimar la cantidad de proteína existente en una muestra a partir de la medición de N de la misma. Las proteínas son largas cadenas de aminoácidos unidas por enlaces peptídicos entre el grupo carboxilo (-COOH) y el grupo amino (-NH2) de residuos de aminoácidos adyacentes. En los seres vivos existen aproximadamente 24 clases de diferentes aminoácidos con los cuales se puede obtener un número ilimitado de combinaciones. Los aminoácidos reaccionan entre sí para formar cadenas de 200 y más eslabones. La función de las proteínas no es energética, sino plástica. Esto significa que su función primordial es la servir como elementos reparadores de la materia viva. Las proteínas determinan la forma y la estructura de las células y dirigen casi todos los procesos vitales. Las funciones de las proteínas son específicas de cada una de ellas y permiten a las células mantener su integridad, defenderse de agentes externos, reparar daños, controlar y regular funciones, etc. 224

Prácticamente todos los procesos bilógicos dependen de la presencia o la actividad de este tipo de moléculas. Son proteínas: Casi todas las enzimas, catalizadores de reacciones químicas en organismos vivientes; Muchas hormonas, reguladoras de actividades celulares; La hemoglobina y otras moléculas con funciones de transporte en la sangre; Los anticuerpos, encargados de acciones de defensa natural contra infecciones; Los receptores de la células, a los cuales se fijan moléculas capaces de desencadenar una respuesta determinada; El colágeno, integrante de fibras altamente resistentes en tejidos de sostén. Debido a sus funciones, las proteínas se pueden clasificar: Catálisis: está formado por enzimas proteicas que se encargan de realizar reacciones químicas de una manera más rápida y eficiente. Por ejemplo: la pepsina, esta enzima se encuentra en el sistema digestivo y se encarga de degradar los alimentos. Reguladoras: Las hormonas son un tipo de proteínas las cuales ayudan a que existan un equilibrio entre las funciones que realiza el cuerpo, tal es el caso de la insulina que se encarga de regular la glucosa que se encuentra en la sangre. Estructural: Tiene la función de dar resistencia y elasticidad que permite formar tejidos, tal es el caso de la tubulina, que se encuentra en el citoesqueleto. Defensiva: son las encargadas de defender al organismo. Glicoproteínas, que se encargan de producir inmunoglobulina que defienden al organismo contra cuerpos extraños. Transporte: la función es llevar sustancias a través de todo el organismo donde son requeridas. Proteínas como la hemoglobina que lleva el oxígeno por medio de la sangre. Receptoras: se encuentran en la membrana celular y llevan a cabo la función de recibir señales y para que la célula así pueda realizar su función. El acetilcolina, que recibe señales para producir la contracción muscular. ESTRUCTURA La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Cada una de estas estructuras informa sobre la disposición de la anterior en el espacio. 225

Estructura primaria. Es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica que aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en el que dichos aminoácidos se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte. Fig. 11.2. Estructura primaria. Estructura secundaria. Es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio. Los aminoácidos, a medida siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable, la estructura secundaria. Existen dos tipos de estructura secundaria: a) La a (alfa)- hélice: su forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Se debe a la formación de enlaces de hidrógeno entre el –C=O de un aminoácido y el –NH- del cuarto aminoácido que sigue. Fig. 11.3. alfa-hélice 226

La conformación beta: En esta disposición los aminoácidos no forman una hélice, sino una cadena en forma de zigzag, denominada disposiciones en lámina plegada. Presentan esta estructura secundaria la queratina de la seda o fibroina. Fig. 11.4. Conformación beta ESTRUCTURA TERCIARIA. Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc. Fig. 11.5. Estructura terciaria ESTRUCTURA CUATERNARIA. Informa de la unión, mediante enlaces débiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídica con estructuras terciarias, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídica recibe el nombre de protómero. El número de protómero varía desde dos, como en la hexoquinasa; cuatro, como en la hemoglobina. 227

Fig. 11.6. Estructura cuaternaria DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS Para que una proteína sea bilógicamente activa, debe tener la estructura correcta en todos los niveles. La secuencia de aminoácidos debe ser correcta, con los puentes disulfuro correctos uniendo la cisteína de las cadenas. Si en una disolución de proteínas se producen cambios de pH, alteraciones en la concentración, agitación molecular o variaciones bruscas de temperatura, la solubilidad de la proteína puede verse reducida hasta el punto de producirse su precipitación. Esto se debe a que los enlaces que mantienen la conformación globular se rompen y la proteína adopta la conformación filamentosa y así la capa de moléculas de agua no recubre completa a las moléculas proteicas, las cuales tienden a unirse entre sí dando lugar a grandes partículas que precipitan. Al alterarse el centro activo desaparece sus actividades biocatalizadoras, es decir que las proteínas en estas condiciones no son funcionales. Esta variación de la conformación se denomina desnaturalización, es decir alteración no natural de la conformación o estado iónico de una proteína. La desnaturalización puede ser reversible, como en la extracción con sal, o irreversible, como la cocción de la clara de huevo. El huevo crudo pasa a frito por desnaturalización de las proteínas globulares solubles llamadas albúminas. Al calentar la clara de huevo, las albúminas se desarrollan y se coagulan para producir una masa sólida elástica. Fig. 11.7. Cocción del huevo. 228

La leche se vuelve agua debido a la conversión bacteriana de los carbohidratos en ácido láctico. Cuando el medio es ácido, las proteínas solubles de la leche se desnaturalizan y precipitan. Es el proceso que se llama cuajado de la leche. Fig.11.8. La leche se vuelve agria debido a la conversión bacteriana. En muchos casos, desnaturalización es irreversible. Cuando se enfría la clara cocida de huevo, no se vuelve cruda. L aleche cuajada no se descuaja al neutralizarla. Sin embargo, la desnaturalización puede ser reversible si el proceso se llevó a cabo en condiciones suaves. Por ejemplo, se puede extraer una proteína de su solución con una alta concentración de sal, que desnaturaliza y precipita la proteína, y cuando esta se redisuelve en agua con menor concentración de salina, por lo general, recupera su actividad junto con su conformación natural. CARBOHIDRATOS. Definición. Los carbohidratos o hidratos de carbono, son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. En la mayoría de los casos, los átomos de hidrógeno y oxígeno que lo forman están en la misma proporción que en el agua, es decir, 2:1. Por esta razón se les denomina carbohidratos, pues sus descubridores pensaban que estos compuestos eran cadenas de carbono enlazados por moléculas de agua. Son comúnmente llamados azucares, son biomoléculas que forman parte de la dieta diaria. En una alimentación equilibrada aproximadamente unos 300g/día de hidratos de carbono deben provenir de frutas y verduras. Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes de la biosfera y su vez los más diversos. Normalmente se les encuentra en las partes estructurales de los vegetales y también en los tejidos animales, como glucosa o glucógeno. Estos sirven como fuente de energía para todas las actividades celulares vitales. 229

Aportan 4 Kcal/g al igual que las proteínas y son considerados macro nutrientes energéticos al igual que las grasas. De acuerdo con la estructura, los carbohidratos se clasifican en: Monosacáridos. Disacáridos. Polisacáridos. 1. Monosacáridos: Son carbohidratos sencillos de moléculas bastante simple. La glucosa o azúcar de las frutas y la galactosa de la leche son monosacáridos. Fig. 11.9. Monosacáridos Los monosacáridos, en su nombre incluyen la terminación osa. Si en su molécula contienen la función carbonilo (-C=O) en un carbón primario se denomina aldosa y si esa función está en un carbono secundario, se denomina cetosa. Otro aspecto que se debe tener en cuenta para la clasificación y estructura de los monosacáridos es el número de carbonos que presenta la molécula tal como se resume el siguiente cuadro: Tabla N° 11.1: Clasificación de monosacáridos N° de 3 carbonos 4 carbonos 5 carbonos 6 carbonos carbonos: Función Aldotriosa Aldotetrosa Aldopentosa Aldohexosa Aldosa Cetotriosa Cetotetrosa Cetopentosa Cetotetrosa Cetosa 230

Los azúcares más sencillos son las triosas, compuestos por tres átomos de carbono, entre ellos se reconocen a la dihidroxiacetona (Cetotriosa) y al gliceraldehído (Aldotriosa) los cuales son el resultado de la degradación de las hexosas. Fig. 11.10. Estructura de una triosa. Modelo molecular y proyección de Fischer: D- gliceraldehído y L-gliceraldehído. Dentro de los monosacáridos de 5 átomos de carbono o pentosa, se tiene como ejemplo importante en las células las aldopentosas ribosa y Desoxirribosa que hacen parte de la molécula de los ácidos ribonucleicos (ARN) Y desoxirribonucleico (ADN) respectivamente. En la figura 13 se muestra la estructura lineal y en la figura 14 las dos formas alternativas en anillo (α y β) de estos azúcares dependientemente de la configuración del carbono 1. Fig. 11.11 y 11.12. CHO CHO H OH HH H OH H OH H OH H OH CH 2OH CH 2OH Ribosa Desoxirribosa Fig.11.11. Forma lineal Fig. 11.12. Forma cíclica Hexosas. Como las que están ilustradas aquí, tienen la fórmula molecular C6H12O6. El químico alemán Emil Fischer (1852-1919) identificó los estereoisómeros de estas aldohexosas en 1834. Por este trabajo recibió un premio nobel en 1902. 231

D-Alosa D-Altrosa D-Glucosa D-Manosa Fig. 11.13. Hexosas. Estructuras que tienen configuraciones opuestas solamente en un grupo hidroxilo, como la glucosa y la manosa, se llaman Epímeros. La glucosa también llamada Dextrosa, es el azúcar más predominante en las plantas y los animales es el azúcar presente en la sangre. La forma lineal de la glucosa es un aldehído polihídrico. La fructosa, también llamada levulosa está ilustrada aquí en forma lineal y anular. La glucosa y la fructosa son los principales hidratos de carbono en la miel. Fig. 11.14. Formas cíclicas y lineales de hexosas. Estereoquímica. La estereoquímica es el estudio de la organización de los átomos en un espacio tridimensional. Se les llama estereoisómeros a los compuestos químicos con enlaces químicos idénticos que se distinguen por tener los átomos en una configuración espacial diferente. Compuestos especulares no superponibles, comparables a un zapato derecho y uno izquierdo, se llaman Enantiomeros. Las estructuras siguientes ilustran la diferencia entre la β-D-Glucosa y la β-L-Glucosa. La glucosa es ilustrada frecuentemente en forma de silla, que es la conformación predominante en disoluciones acuosas. La conformación de bote de la glucosa es inestable. 232

Fig. 11.15. Diferencia entre β-D-Glucosa y la β-L-Glucosa. DISACÁRIDOS. Están formadas por la unión de dos monosacáridos, generalmente hexosas y son los oligosacáridos de mayor importancia biológica y están formados por la unión de dos hexosas. Su fórmula general es C12H22O12. El enlace que establece las dos unidades de monosacáridos recibe el nombre de enlace glucosídico y consiste en la unión de dos grupos –OH (hidroxilo) con pérdida de una molécula de agua. Este enlace se forma entre un carbono (llamado anomérico) de los primeros monosacáridos y cualquier otro del segundo. Esta, como todas las reacciones que se dan en las células no es espontánea sino está catalizada por enzimas. La reacción es reversible, pero en la naturaleza requiere también la presencia de enzimas hidrolíticas específicas para cada disacárido. (Maltasa, sacarasa, etc.). Propiedades. Las propiedades de los disacáridos son semejantes a los de los monosacáridos: son sólidos cristalinos, de color blanco, sabor dulce y soluble en agua. Unos pierden el poder reductor de los monosacáridos y otros lo conservan. Si en el enlace o-glucosídico intervienen los –OH de los dos carbonos anomérico (responsables del poder reductor) de ambos monosacáridos, el disacárido obtenido no tendrá poder reductor. Según el tipo de enlace y los monosacáridos implicados en él hay distintos disacáridos. Fig. 11.16. Enlace glucosídico. Principales disacáridos. 233

Los principales disacáridos de interés biológico son: Maltosa o azúcar de malta. Está formado por dos unidades de α-glucosa, con enlaces glucosídico de tipo α 1-4. La molécula tiene características reductoras. Se encuentra libre naturalmente en la malta y forma parte de varios polisacáridos de reserva (almidón y glucógeno), de las que se obtiene por hidrólisis. Lactosa o azúcar de leche. Está formada por galactosa y glucosa, unidas con enlace glucosídico de tipo β. Tiene carácter reductor. Se encuentra libre en la leche de los mamíferos. Fig. 11.17. Molécula de la lactosa descompuesta mediante la hidrólisis en 2 y 1. Fig. 11.18. Fórmula de la lactosa Sacarosa o azúcar de caña. 234

Está formada por α-glucosa y β-fructosa, con enlace 1,2. No posee carácter reductor. Se obtiene industrialmente y se comercializa en el mercado como edulcorante habitual. Además, se halla muy representada en la naturaleza en frutos, semillas, etc. Fig. 11.19. Sacarosa La celubiosa. Está formada por dos unidades de β-glucosa con enlace 1,4. Está presente en la molécula de celulosa y no se encuentra libre. Fig. 11.20. Molécula de celobiosa. Isomaltosa. Consta de dos unidades de α-glucosa con enlace 1,6. Está presente en los polisacáridos almidón y glucógeno y no se halla libre. Fig. 11.21. Isomaltosa. 235

Polisacáridos. Son carbohidratos de alto peso molecular. Consiste en cientos y aun miles de unidades de monosacáridos comúnmente hexosas. Son insípidos e insolubles en agua, aunque forman con ella soluciones coloidales. Constituyen material de reserva en plantas y animales (almidón y glicógeno) o como sustancia de soporte estructural (celulosa). Los polisacáridos son polímeros, cuyos monómeros constituyentes son monosacáridos, los cuales se unen respectivamente mediante enlaces glucosídico. Función. Los polisacáridos representan una clase importante de polímeros biológicos. Su función en los organismos vivos está relacionada usualmente con estructura y almacenamiento. El almidón es usado como una forma de almacenar monosacáridos en las plantas, siendo encontrado en la forma de amilosa y la amilopectina (ramificada). En animales se usa el glucógeno en vez de almidón, el cual es estructuralmente similar, pero más densamente ramificado. Clasificación. Según la función biológica, los polisacáridos se clasifican en los siguientes grupos: Polisacáridos de reserva: La principal molécula proveedora de energía para las células de los seres vivos es la glucosa. Cuando esta no es descompuesta en el catabolismo energético para extraer la energía que contiene, es almacenada en forma de polisacáridos de tipo α (1-4) representado en las plantas por el almidón y en los animales por el glucógeno. Polisacáridos estructurales: Se trata de glúcidos que participan en la construcción de estructuras orgánicas. Entre los más importantes tenemos a la celulosa que es el principal componente de la pared celular en las plantas y a la quitina que cumple el mismo papel en los hongos, además de ser la base del exoesqueleto de los artrópodos y otros animales emparentados. Según su composición: Homopolisacáridos: Están formados por la repetición de un monosacárido. Heteropolisacáridos: Están formado por la repetición ordenada de un disacárido formado por dos monosacáridos distintos (o lo que es lo mismo, por la alternancia de dos monosacáridos). Propiedades químicas. Pueden descomponerse por hidrólisis de los enlaces glucosídico entre residuos, en polisacáridos más pequeños, así como en disacáridos o monosacáridos. Su digestión 236

dentro de la célula, o en las cavidades digestivas, consiste en una hidrólisis catalizada por enzimas digestivas (hidrolasas) llamadas glucosidasas, que son específicas para determinados polisacáridos y, sobre todo, para determinados tipos de enlace glucosídico. Así, por ejemplo, las enzimas que hidrolizan el almidón, cuyos enlaces son del tipo α (1- 4), no pueden descomponer la celulosa, cuyos enlaces son de tipo β (1-4), aunque en los dos casos el monosacárido sea el mismo. En la formación de cada enlace glucosídico sobra una molécula de agua, igual que en su ruptura por hidrólisis se consume una molécula de agua, así que en una cadena hecha n monosacárido habrá n-1 enlaces glucosídico. Partiendo de que la fórmula general, no sin excepciones, de los monosacáridos es CxH2xOx, se deduce fácilmente que los polisacáridos responderán casi siempre a la fórmula general: Cx (H2O) x-1. LÍPIDOS. Conjunto de moléculas orgánicas, la mayoría biomoléculas, compuestos principalmente por carbono, e hidrógeno y en menor medida oxígeno, aunque también pueden contener fósforo, azufre, nitrógeno. Tienen como característica principal el ser hidrófoba (insoluble en agua) y soluble en disolventes orgánicos como la bencina, el benceno y el cloroformo. En el uso coloquial, a los lípidos se les llama incorrectamente grasas, ya que las grasas son un tipo de lípidos procedentes de animales. Los lípidos cumplen funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas las de reserva energética (como los triglicéridos), la estructural (como los fosfolípidos de las bicapas) y las reguladoras (como las hormonas esteroides). Los lípidos son biomoléculas muy diversas; unos están formados por cadenas alifáticas saturadas o insaturadas, en general lineales, pero algunas tienen anillos (aromáticos). Algunas son flexibles, mientras que otras rígidas o semiflexibles hasta alcanzar una total flexibilidad mecánica molecular; algunos comparten carbono libres y otras forman puentes de hidrógeno. La mayoría de los lípidos tienen algún tipo de carácter no polar, es decir, poseen una gran parte apolar o hidrofóbico. Otra parte es polar o hidrofílica. Cuando una molécula tiene una parte hidrofóbica y otra hidrófila se dice que tiene un carácter anfipático. La región hidrófoba de los lípidos es la que presenta solo átomos de carbono unidos a átomos de hidrógeno, como la larga cola alifática de los ácidos grasos o los anillos esterano del colesterol; la región hidrófoba es la que posee grupos polares o con cargas 237

eléctricas, como el grupo hidroxilo (–OH), del colesterol, el carboxilo (-COOH) de los ácidos grasos, el fosfato (-PO4) Clasificación. Los lípidos son un grupo muy heterogéneo que usualmente se clasifica en dos grupos; atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (lípidos saponificables) o no lo posean (lípidos insaponificables). Lípidos saponificables: Aquellos que reaccionan con disolución de hidróxido de sodio (NaOH) al 40%, originando sales. Simples: Solo contienen C-H-O. Se caracterizan por presentar la función éster. Acilglicéridos: Son ésteres ácidos grasos con glicerol. Cuando son sólidos se les llama grasas y cuando son líquidos a temperatura ambiente se llaman aceites. Complejos: Lípidos que además de contener en su molécula C-H-O, también tiene otros elementos como N, P, S en otra biomolécula como un glúcido. A los lípidos complejos, también se les conoce con el nombre de lípidos de membrana, pues son las principales moléculas que forman las membranas celulares. Lípidos saponificables Ácidos grasos Son las unidades básicas de los lípidos saponificables, y consisten en moléculas formadas por una larga cadena hidrocarbonada con un número par de carbono (12-14) y un grupo carbonilo terminal. La presencia de dobles enlace en el ácido reduce el punto de fusión. Los ácidos grasos se dividen en: Saturados e insaturados. Saturados: Sin dobles enlaces entre los átomos de carbono; ejemplo: ácido Láurico, ácido Miristico, ácido palmítico, ácido esteárico. Insaturados: Se caracterizan por poseer dobles enlaces en su configuración molecular. Son fácilmente identificables, ya que estos dobles enlaces hacen que su punto de fusión sea menor que en el resto. Se presentan ante nosotros como líquidos, como aquellos que llamamos aceites. Este tipo de alimentos disminuyen el colesterol en la sangre y son llamados ácidos grasos esenciales. Los animales no son capaces de sintetizarlos, pero lo necesitan para desarrollar 238

ciertas funciones fisiológicas, por lo que deben aportarlos en la dieta. Ejemplo de estos compuestos: ácido oleico, ácido palmitoleico, ácido linoleico, ácido nervónico y ácido araquidónico. Fig. 11.23. Estructura del ácido oleico y ácido linoleico. Los denominados ácidos grasos esenciales no pueden ser sintetizados por el organismo humano y son, el linoleico y el ácido araquidónico que deben ingerirse en la dieta. Propiedades fisicoquímicas. Carácter anfipático: Ya que el ácido graso está formado por un grupo carboxilo y una cadena hidrocarbonada, esta última es la que posee la característica hidrofóbica; por lo cual es responsable de su insolubilidad en agua. Punto de fusión: Depende de la longitud de la cadena y de su número de insaturaciones, siendo los ácidos grasos insaturados los que requieren menor energía para fundirse. Esterificación: Los ácidos grasos pueden formar ésteres con grupos alcohol de otras moléculas. Saponificación: Por hidrólisis alcalina los ésteres formados anteriormente dan lugar a jabones (sal de ácidos grasos). Autooxidación: Los ácidos grasos insaturados pueden oxidarse espontáneamente, dando como resultado aldehídos donde existían los dobles enlaces covalentes. Acilglicéridos: Son ésteres de ácidos grasos con glicerol (glicerina), formados mediante una reacción de condensación llamada esterificación. Una molécula de glicerol puede reaccionar con hasta tres moléculas de ácidos grasos, puesto que tiene tres grupos hidroxilo. Existen tres tipos de acilgliceroles: Monoglicéridos: Solo existe un ácido graso unido a la molécula de glicerina. 239

Diacilglicérido: La molécula de glicerina se une a dos ácidos grasos. Triacilglicéridos: Llamados triglicéridos, puesto que la glicerina está unida a tres ácidos grasos; son los más importantes y extendidos de los tres. Los triglicéridos, constituyen la principal reserva energética de los animales, en los que constituyen las grasas; en los vegetales constituyen los aceites. El exceso de lípidos es almacenado en grandes depósitos en el tejido adiposo de los animales. Fig.11.24. Representación tridimensional de un triglicérido Fig. 11.25. Céridos. Las ceras son moléculas que se obtienen por esterificación de un ácido graso con un alcohol monovalente lineal de cadena larga. Por ejemplo la cera de abeja. Son sustancias altamente insolubles en medio acuoso y a temperatura ambiente se presentan sólidas y duras. En los animales las podemos encontrar en la superficie del cuerpo, piel, plumas, etc. En los vegetales, las ceras recubren la epidermis de las frutas, tallos. Fosfolípidos: Se caracterizan por poseer un grupo fosfato que les otorga una marcada polaridad. Se clasifican en dos grupos, según posean glicerol o esfíngocina. Fig.11.26. Esfíngocina. Fosfoglicérido: Están compuesto por ácido fosfatidico, una molécula compleja compuesta por glicerol, al que se unen dos ácidos grasos (uno saturado y otro insaturado) y un grupo fosfato; el grupo fosfato posee un alcohol o un aminoalcohol y el conjunto posee una marcada polaridad y forma lo que se denomina la cabeza polar del fosfoglicérido; los dos ácidos grasos forman las dos 240

colas hidrófobas; por tanto, los fosfoglicérido son moléculas con un fuerte carácter anfipático que le permite formar bicapas, que son la arquitectura básicas de todas las membranas biológicas. Fig.11.27. Estructura de un fosfoglicérido. Fosfoesfingolípidos: Son esfingolípidos con un grupo fosfato, tiene propiedades similares a los fosfoglicérido. No obstante, no contienen glicerol, sino esfíngocina, un aminoalcohol de cadena larga al que se une un ácido graso, conjunto conocido con el nombre de ceramida; a dicho conjunto se le une un grupo fosfato y a este un aminoalcohol; el más abundante es la esfingomielina; es el componente principal de la vaina de mielina que recubre los axones de las neuronas. Glucolípidos: Son esfingolípidos formado por una ceramida (esfíngocina + ácido graso) unida a un glúcido, careciendo por tanto, de grupo fosfato. Se hallan en las bicapas lipidicas de todas las membranas celulares, y son abundantes en el tejido nervioso; el nombre de los dos tipos principales de Glucolípidos alude a este hecho. Cerobrósidos: Glucolípidos en los que la ceramida se une a un monosacárido (glucosa o galactosa) o a un oligosacáridos. Gangliosido: Glucolípidos en los que las ceramida se une a un oligosacáridos complejo en el que siempre hay ácido ciático. Lípidos insaponificables: Terpenos: También llamados isopreno (2-metil-1,3-butadieno). Los terpenos biológicos constan, como mínimo de dos moléculas de isopreno. Algunos terpenos importantes son: aceites esenciales (mentol, limoneno), el fitol (forma parte de la clorofila), las vitaminas K, A y E; el caucho (que se obtiene del árbol Hevea brasiliensis). Desde el punto de vista farmacéutico, los grupos de principio activos de naturaleza terpénica más interesantes son: monoterpenos, y sesquiterpenos, constituyentes de los aceites esenciales. 241

Esteroides. Son lípidos derivados del núcleo del hidrocarburo esterano (ciclopentanoperhidrofenantreno), esto es, se componen de cuatro anillos fusionados de carbono que posee diversos grupos funcionales (carbonilo, hidroxilo) por lo que la molécula tiene partes hidrofilica e hidrofóbica (anfipático). Entre los esteroides más destacados se encuentran los ácidos biliares, las hormonas sexuales, vitamina D y el colesterol. Fig.11.28. El colesterol. El colesterol es el precursor de numerosos esteroides y es un componente más de la bicapa de las membranas celulares. Eicosanoides. Son lípidos derivados de los ácidos grasos esenciales de 20 carbonos tipo omega-3 y omega-6. Los principales precursores de los Eicosanoides son el ácido araquidónico, el ácido linoleico, y el ácido linoleico. Todos los Eicosanoides son moléculas de 20 átomos de carbono y pueden clasificarse en tres grupos: prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos. Importancia. Las vitaminas A, D y K son liposolubles, lo que significa que estas solo pueden ser digeridas, absorbidas y transportadas en conjunto con las grasas. Las grasas son fuentes de ácidos grasos esenciales. Juegan un papel vital en el mantenimiento de la piel y cabello, en el mantenimiento de la temperatura corporal y promoviendo la función celular saludable. Además, sirve como reserva energética para el organismo. Las grasas son degradadas en el organismo para liberar glicerol y ácidos grasos. El glicerol puede ser convertido por el hígado y entonces ser usado como fuente energética. 242

El contenido de grasas de los animales puede ser analizado por extracción. El método exacto varía según el tipo de grasa a ser analizada, por, ejemplo, las grasas poliinsaturadas y monoinsaturadas son analizadas de forma muy diferente. CH3 (CH2)7CH=CH (CH2)7COOH) (Ácido oleico) (ácido 9-octadecenoíco) CH3 (CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH). Ácido araquidónico (ácido 5, 8, 11,14- eicosatetraenoico) Fig. 11.29. Ácidos grasos naturales insaturados: monoinsaturadas y poliinsaturadas. Aunque es prácticamente imposible remover las grasas completamente de la dieta, sería equivocado hacerlo. Algunos ácidos grasos son nutrientes esenciales, significando esto que ellos no pueden producirlos en el organismo a partir de otros compuestos y por lo tanto necesitan ser consumidos en pequeñas cantidades. 243

CUESTIONARIO DE REPASO 1. El ser vivo está formado por macromoléculas que generalmente son polímeros, esto es, moléculas, formadas por la unión de varias moléculas pequeñas similares. Así, los ácidos nucléicos son cadenas de nucleótidos, las proteínas cadenas de aminoácidos y los polisacáridos cadenas de azúcares simples. Cuando la célula va a iniciar su proceso de división, debe primero replicar su ADN para lo cual necesita abundancia de A. Aminoácidos B. ácidos grasos C. Nucleótidos D. monosacáridos 2. Una oxidación moderada de la glucosa produce ácido glucónico; de esta información se puede concluir. A. La glucosa posee un grupo cetónico B. La glucosa posee un grupo –CH2OH C. La glucosa posee una estructura abierta D. La glucosa posee la forma hemiacetal 3. Si un reactivo da coloración azul con el iodo, se puede concluir que es A. Celulosa B. Sacarosa C. Almidón D. Glucosa 4. Los aminoácidos son elementos esenciales en la traducción del ADN. La mayoría de ellos son obtenidos a partir de los alimentos. Teniendo en cuenta esta información, la biomolécula cuya carencia en la dieta podría entorpecer en mayor medida el proceso de traducción es A. Lípidos B. proteínas C. Vitaminas D. carbohidratos 5. Las vitaminas y las hormonas son A. Lípidos B. proteínas C. Enzimas D. hidratos de carbono 6. El ser vivo está formado por macromoléculas que generalmente son polímeros, esto es, moléculas, formadas por la unión de varias moléculas pequeñas similares. Así, los ácidos nucléicos son cadenas de nucleótidos, las proteínas cadenas de aminoácidos y los polisacáridos cadenas de azúcares simples. Cuando la célula va a iniciar su proceso de división, debe primero replicar su ADN para lo cual necesita abundancia de 244

A. aminoácidos B. ácidos grasos C. nucleótidos D. monosacáridos 7. La representación simplificada de un carbohidrato es 8. En su composición entran los elementos carbono, hidrógeno y oxígeno, con frecuencia en la proporción Cn (H2O)n, por ejemplo, glucosa C6 (H2O)6 de aquí los nombres carbohidratos o hidratos de carbono. Estos compuestos, abarcan sustancias muy conocidas y al mismo tiempo, bastante disímiles, azúcar común, papel, madera, algodón, son carbohidratos o están presentes en ellos en una alta proporción A. A partir de agua, las plantas sintetizan los carbohidratos B. A partir de agua y sales, las plantas sintetizan los carbohidratos C. A partir de dióxido de carbono y agua, las plantas sintetizan los carbohidratos D. A partir de carbono y agua, las plantas sintetizan los carbohidratos 9. Los carbohidratos se pueden encontrar de forma exclusiva en? A. Los hongos y en el reino mineral B. Los animales y los vegetales C. Los animales y los hongos D. Las plantas 10. Los carbohidratos están conformados por qué sustancias? A. Carbono, hidrógeno y oxígeno B. oxígeno e hidróxido C. Carbono e hidrogeno D. Azufre, sodio y carbono 11. El proceso de transcripción involucrado en la síntesis de proteína se lleva a cabo en A. El citoplasma celular B. El núcleo celular 245

C. El ribosoma de la célula D. En la membrana celular 12. I. El ribosoma lee el ARNm cada tres nucleótidos (codón) II. Cada codón leído sintetiza un aminoácido según las indicaciones del código genético Teniendo en cuenta los numerales I y II, al finalizar el proceso de síntesis de una proteína que cuenta con treinta (30) aminoácidos, la cantidad de nucleótidos requeridos fueron: A. 90 B. 60 C. 30 D. 120 13. Los carbohidratos se transforman en energía y otros productos en presencia de oxigeno como lo representa la siguiente ecuación +C6H12O6 luz + +CO2 6H2O E 6 O2 UV En una atmósfera compuesta en un 80% de hidrógeno y 20% de dióxido de carbono, y que permite el paso de la luz uv; se tiene una cantidad de glucosa. Transcurrido un tiempo y al analizar los gases de la atmósfera se tiene que A. Contiene 20% de CO2, 40% de H2O y 40% de H2 B. Contiene un 10% de CO2, 10% de H2O y 80% de H2 C. Contiene 40% de CO2, 20% de H2O y 40% de H2O D. Contiene 20% de CO2, y 80% de H2 246

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO 247

INDICE GENERAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO Práctica de laboratorio Pag. Práctica N°1: Introducción al laboratorio de química orgánica 251 Práctica N°2: Identificación de elementos presentes en compuestos orgánicos 254 Práctica N°3: Identificación de funciones química 259 Práctica N°4: Punto de fusión y cristalización 262 Práctica N°5: Determinación de la temperatura de ebullición 265 Práctica N°6: Obtención y reconocimiento de alcanos 269 Práctica N°7: Obtención de alquenos 271 Práctica N°8: Obtención de acetileno 273 Práctica N°9: Hidrocarburos aromáticos: propiedades físicas y química 276 Práctica N° 10: Preparación de 2-hexanol a partir de 1-hexeno 278 Práctica N°11: Destilación sencilla 280 Práctica N°12: Pruebas química para ácidos carboxílicos y sus derivados 282 Práctica N°13: Alcoholes y fenoles 284 Práctica N°14: Reconocimiento de aldehídos y cetonas 287 Práctica N°15: Proceso de esterificación 289 Práctica N°16: Preparación de gramina (Reacción de Mannich) 291 Práctica N°17: Reconocimiento de carbohidratos 293 Práctica N°18: Reconocimiento de lípidos 296 Práctica N° 19: Reconocimiento de proteínas 299 248