20.4: Aminas e amidas

Objetivos de

• Descreva a estrutura e as propriedades de uma amina
• Descreva a estrutura e as propriedades de uma amida

As aminas são moléculas que contêm ligações carbono-nitrogênio. O átomo de nitrogênio em uma amina tem um par solitário de elétrons e três ligações com outros átomos, carbono ou hidrogênio. Várias nomenclaturas são usadas para derivar nomes para aminas, mas todas envolvem o sufixo de identificação de classe —ine, conforme ilustrado aqui para alguns exemplos simples:

Figura\(\PageIndex{1}\)) é uma dessas aminas heterocíclicas. Um composto heterocíclico contém átomos de dois ou mais elementos diferentes em sua estrutura em anel.

Figura\(\PageIndex{1}\): A ilustração mostra uma das estruturas de ressonância da piridina.

DNA em perícia e paternidade

O material genético de todos os seres vivos é um polímero de quatro moléculas diferentes, que são elas mesmas uma combinação de três subunidades. A informação genética, o código para o desenvolvimento de um organismo, está contida na sequência específica das quatro moléculas, semelhante à forma como as letras do alfabeto podem ser sequenciadas para formar palavras que transmitem informações. As informações em uma sequência de DNA são usadas para formar dois outros tipos de polímeros, um dos quais são proteínas. As proteínas interagem para formar um tipo específico de organismo com características individuais.

Uma molécula genética é chamada de DNA, que significa ácido desoxirribonucléico. As quatro moléculas que compõem o DNA são chamadas de nucleotídeos. Cada nucleotídeo consiste em uma molécula de anel único ou duplo contendo nitrogênio, carbono, oxigênio e hidrogênio chamada base nitrogenada. Cada base é ligada a um açúcar de cinco carbonos chamado desoxirribose. O açúcar, por sua vez, está ligado a um grupo fosfato.\(\ce{(−PO4^3- )}\) Quando um novo DNA é produzido, ocorre uma reação de polimerização que liga o grupo fosfato de um nucleotídeo ao grupo açucar de um segundo nucleotídeo. As bases nitrogenadas de cada nucleotídeo se destacam dessa estrutura de açúcar-fosfato. Na verdade, o DNA é formado por dois desses polímeros enrolados um ao redor do outro e mantidos juntos por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas. Assim, as duas espinhas dorsais estão na parte externa do par de fios enrolados e as bases na parte interna. A forma dos dois fios enrolados um ao redor do outro é chamada de dupla hélice (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Provavelmente faz sentido que a sequência de nucleotídeos no DNA de um gato seja diferente da de um cachorro. Mas também é verdade que as sequências do DNA nas células de dois pugs individuais são diferentes. Da mesma forma, as sequências de DNA em você e em um irmão são diferentes (a menos que seu irmão seja um gêmeo idêntico), assim como aquelas entre você e um indivíduo não relacionado. No entanto, as sequências de DNA de dois indivíduos relacionados são mais semelhantes do que as sequências de dois indivíduos não relacionados, e essas semelhanças na sequência podem ser observadas de várias maneiras. Esse é o princípio por trás da impressão digital de DNA, que é um método usado para determinar se duas amostras de DNA vieram de indivíduos relacionados (ou iguais) ou indivíduos não relacionados.

Figura\(\PageIndex{2}\): O DNA é uma molécula orgânica e o material genético de todos os organismos vivos. (a) O DNA é uma dupla hélice que consiste em duas fitas de DNA simples ligadas de hidrogênio em cada base nitrogenada. (b) Esse detalhe mostra a ligação de hidrogênio (linhas pontilhadas) entre as bases nitrogenadas em cada fita de DNA e a maneira pela qual cada nucleotídeo é unido à próxima, formando uma espinha dorsal de açúcares e grupos fosfato ao longo de cada fita. (c) Esse detalhe mostra a estrutura de um dos quatro nucleotídeos que compõem o polímero de DNA. Cada nucleotídeo consiste em uma base nitrogenada (uma molécula de anel duplo, neste caso), um açúcar de cinco carbonos (desoxirribose) e um grupo fosfato.

Usando semelhanças nas sequências, os técnicos podem determinar se um homem é pai de uma criança (a identidade da mãe raramente está em dúvida, exceto no caso de um filho adotivo e de uma potencial mãe biológica). Da mesma forma, os geneticistas forenses podem determinar se uma amostra de tecido humano na cena do crime, como sangue ou células da pele, contém DNA que corresponde exatamente ao DNA de um suspeito.

Como a amônia, as aminas são bases fracas devido ao único par de elétrons em seus átomos de nitrogênio:

A basicidade do átomo de nitrogênio de uma amina desempenha um papel importante em grande parte da química do composto. Os grupos funcionais da amina são encontrados em uma ampla variedade de compostos, incluindo corantes naturais e sintéticos, polímeros, vitaminas e medicamentos como penicilina e codeína. Eles também são encontrados em muitas moléculas essenciais à vida, como aminoácidos, hormônios, neurotransmissores e DNA.

Alcalóides aditivos

Desde a antiguidade, as plantas têm sido usadas para fins medicinais. Uma classe de substâncias, chamadas alcalóides, encontrada em muitas dessas plantas foi isolada e descobriu que contém moléculas cíclicas com um grupo funcional amina. Essas aminas são bases. Eles podem reagir com H ₃ O ⁺ em um ácido diluído para formar um sal de amônio, e essa propriedade é usada para extraí-los da planta:

\[\ce{R3N + H3O+ + Cl- ⟶[R3NH+]Cl- + H2O} \nonumber \]

O nome alcalóide significa “como um álcali”. Assim, um alcalóide reage com o ácido. O composto livre pode ser recuperado após a extração por reação com uma base:

\[\ce{[R3NH+]Cl- + OH- ⟶R3N + H2O + Cl-} \nonumber \]

As estruturas de muitos alcalóides naturais têm efeitos fisiológicos e psicotrópicos profundos em humanos. Exemplos desses medicamentos incluem nicotina, morfina, codeína e heroína. A planta produz essas substâncias, chamadas coletivamente de compostos vegetais secundários, como defesas químicas contra as inúmeras pragas que tentam se alimentar da planta:

Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): As papoulas podem ser usadas na produção de ópio, um látex vegetal que contém morfina a partir do qual outros opiáceos, como a heroína, podem ser sintetizados. (crédito: Karen Roe)

As amidas são moléculas que contêm átomos de nitrogênio conectados ao átomo de carbono de um grupo carbonila. Como as aminas, várias regras de nomenclatura podem ser usadas para nomear amidas, mas todas incluem o uso do sufixo específico da classe -amida:

As amidas podem ser produzidas quando os ácidos carboxílicos reagem com aminas ou amônia em um processo chamado amidação. Uma molécula de água é eliminada da reação e a amida é formada a partir dos pedaços restantes do ácido carboxílico e da amina (observe a semelhança com a formação de um éster a partir de um ácido carboxílico e um álcool discutida na seção anterior):

A reação entre aminas e ácidos carboxílicos para formar amidas é biologicamente importante. É por meio dessa reação que os aminoácidos (moléculas contendo substituintes de amina e ácido carboxílico) se unem em um polímero para formar proteínas.

Proteínas e enzimas

As proteínas são grandes moléculas biológicas compostas por longas cadeias de moléculas menores chamadas aminoácidos. Os organismos dependem de proteínas para uma variedade de funções — as proteínas transportam moléculas pelas membranas celulares, replicam o DNA e catalisam reações metabólicas, para citar apenas algumas de suas funções. As propriedades das proteínas são funções da combinação dos aminoácidos que as compõem e podem variar muito. As interações entre sequências de aminoácidos nas cadeias de proteínas resultam no dobramento da cadeia em estruturas tridimensionais específicas que determinam a atividade da proteína.

Os aminoácidos são moléculas orgânicas que contêm um grupo funcional amina (—NH ₂), um grupo funcional do ácido carboxílico (—COOH) e uma cadeia lateral (que é específica para cada aminoácido individual). A maioria dos seres vivos constrói proteínas a partir dos mesmos 20 aminoácidos diferentes. Os aminoácidos se conectam pela formação de uma ligação peptídica, que é uma ligação covalente formada entre dois aminoácidos quando o grupo de ácido carboxílico de um aminoácido reage com o grupo amina do outro aminoácido. A formação da ligação resulta na produção de uma molécula de água (em geral, as reações que resultam na produção de água quando duas outras moléculas se combinam são chamadas de reações de condensação). A ligação resultante - entre o átomo de carbono do grupo carbonila e o átomo de nitrogênio da amina é chamada de ligação peptídica ou ligação peptídica. Como cada um dos aminoácidos originais tem um grupo que não reagiu (um tem uma amina que não reagiu e o outro um ácido carboxílico que não reagiu), mais ligações peptídicas podem se formar com outros aminoácidos, estendendo a estrutura. (Figura\(\PageIndex{4}\)) Uma cadeia de aminoácidos conectados é chamada de polipeptídeo. As proteínas contêm pelo menos uma longa cadeia polipeptídica.

Figura\(\PageIndex{4}\): Essa reação de condensação forma um dipeptídeo de dois aminoácidos e leva à formação de água.

As enzimas são grandes moléculas biológicas, compostas principalmente por proteínas, responsáveis pelos milhares de processos metabólicos que ocorrem nos organismos vivos. As enzimas são catalisadores altamente específicos; elas aceleram as taxas de certas reações. As enzimas funcionam diminuindo a energia de ativação da reação que estão catalisando, o que pode aumentar drasticamente a taxa da reação. A maioria das reações catalisadas por enzimas tem taxas milhões de vezes mais rápidas do que a versão não catalisada. Como todos os catalisadores, as enzimas não são consumidas durante as reações que catalisam. As enzimas diferem de outros catalisadores na especificidade de seus substratos (as moléculas que uma enzima converterá em um produto diferente). Cada enzima só é capaz de acelerar uma ou algumas reações ou tipos de reações muito específicos. Como a função das enzimas é muito específica, a falta ou mau funcionamento de uma enzima pode levar a graves consequências para a saúde. Uma doença resultante de um mau funcionamento enzimático é a fenilcetonúria. Nessa doença, a enzima que catalisa a primeira etapa na degradação do aminoácido fenilalanina não é funcional (Figura\(\PageIndex{5}\)). Se não for tratada, isso pode levar ao acúmulo de fenilalanina, o que pode levar a deficiências intelectuais.

Figura\(\PageIndex{5}\): Uma renderização computadorizada mostra a estrutura tridimensional da enzima fenilalanina hidroxilase. Na doença fenilcetonúria, um defeito na forma da fenilalanina hidroxilase faz com que ela perca sua função de decompor a fenilalanina.

Kevlar

Kevlar (Figura\(\PageIndex{6}\)) é um polímero sintético feito de dois monômeros 1,4-fenileno-diamina e cloreto de tereftaloil (Kevlar é uma marca registrada da DuPont). O primeiro uso comercial do Kevlar foi como substituto do aço em pneus de corrida. O Kevlar é normalmente transformado em cordas ou fibras. O material tem uma alta relação entre resistência à tração e peso (é cerca de 5 vezes mais forte que um peso igual de aço), o que o torna útil para muitas aplicações, desde pneus de bicicleta a velas e blindagens corporais.

Figura\(\PageIndex{6}\): Esta ilustração mostra a fórmula do Kevlar polimérico.

O material deve grande parte de sua força às ligações de hidrogênio entre cadeias poliméricas (consulte o capítulo sobre interações intermoleculares). Essas ligações se formam entre o átomo de oxigênio do grupo carbonila (que tem uma carga negativa parcial devido à eletronegatividade do oxigênio) em um monômero e o átomo de hidrogênio parcialmente carregado positivamente na ligação N-H de um monômero adjacente na estrutura do polímero (linhas tracejadas na Figura\(\PageIndex{7}\)). Há força adicional derivada da interação entre os orbitais p não hibridizados nos anéis de seis membros, chamada empilhamento aromático.

Figura\(\PageIndex{7}\): O diagrama mostra a estrutura do polímero de Kevlar, com ligações de hidrogênio entre cadeias poliméricas representadas por linhas pontilhadas.

O Kevlar pode ser mais conhecido como um componente de armadura corporal, capacetes de combate e máscaras faciais. Desde a década de 1980, os militares dos EUA usam o Kevlar como componente do capacete e colete PASGT (sistema de armadura pessoal para tropas terrestres). O Kevlar também é usado para proteger veículos blindados de combate e porta-aviões. As aplicações civis incluem equipamentos de proteção para o pessoal do serviço de emergência, como coletes para policiais e roupas resistentes ao calor para bombeiros. As roupas à base de Kevlar são consideravelmente mais leves e finas do que as roupas equivalentes feitas de outros materiais (Figura\(\PageIndex{8}\)).

Figura\(\PageIndex{8}\): (a) Esses soldados estão separando peças de um capacete de Kevlar que ajudaram a absorver uma explosão de granada. O Kevlar também é usado para fazer (b) canoas e (c) linhas de amarração marítimas. (crédito a: modificação da obra por “Cla68” /Wikimedia Commons; crédito b: modificação da obra por “OakleyOriginals” /Flickr; crédito c: modificação da obra de Casey H. Kyhl)

Além de seus usos mais conhecidos, o Kevlar também é frequentemente usado em criogenia por sua condutividade térmica muito baixa (junto com sua alta resistência). O Kevlar mantém sua alta resistência quando resfriado à temperatura do nitrogênio líquido (—196° C).

A tabela aqui resume as estruturas discutidas neste capítulo:

Resumo

A adição de nitrogênio em uma estrutura orgânica leva a duas famílias de moléculas. Compostos contendo um átomo de nitrogênio ligado em uma estrutura de hidrocarboneto são classificados como aminas. Compostos que têm um átomo de nitrogênio ligado a um lado de um grupo carbonila são classificados como amidas. As aminas são um grupo funcional básico. Aminas e ácidos carboxílicos podem se combinar em uma reação de condensação para formar amidas.

Glossário

amina

molécula orgânica na qual um átomo de nitrogênio está ligado a um ou mais grupos alquil

amida

molécula orgânica que apresenta um átomo de nitrogênio conectado ao átomo de carbono em um grupo carbonila