AMINAS
De los compuestos nitrogenados con un enlace simple C−N, los más importantes son las aminas que son derivados del amoniaco en los que uno o más hidrógenos son sustituidos por un grupo alquilo. Las aminas, como el NH3 tiene una estructura piramidal con tres enlaces (sp3 ) y un par de electrones no compartidos .
Los orbítales tienen hibridación sp3 y están dirigidos como el C, hacia los vértices de un tetraedro, en el NH3 los ángulos de enlace H−N son de 107. 3° pero en las aminas los sustituyentes distorsionan la pirámide ensanchándola. La presencia del par de electrones da a las aminas propiedades físicas y químicas características como veremos más adelante. CLASIFICACIÒN DE AMINAS
Las aminas son derivados del amoniaco, uno, dos o los tres hidrógenos de la molécula del amoniaco pueden reemplazarse por estos grupos. El grupo funcional caracteristico de las aminas se denomina Grupo amino y se escribe como −NH2 , asì, las aminas se clasifican en primarias, secundarias y terciarias de acuerdo con el nùmero de grupos orgànicos enlazados al nitrógeno. H −−−−N−−−−H R−−−−N−−−−H R−−−−N−−−−H HHR (Amoniaco) amina primaria amina secundaria R'' R−−−−N−−−−R'' R−−−−N−−−−R R' R' Amina terciaria ** Iones de amonio cuaternario Esta clasificaciòn se refiere al àtomo de nitrógeno según que tenga dos, uno o ningún enlace NH. ** A causa de la semejanza estructural con las aminas, los derivados del iòn amonio NH4+, los llamados iones de amonio cuaternarios, R4N+, tambièn se incluyen en las aminas. Las aminas alifàticas son aquellas cuyo carbono o carbonos unidos directamente al nitrógeno tiene o tienen solamente enlaces sencillos con los demas grupos.
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O R−−−−C−−−−CH−−−−NH Tiene una funciòn amina. Se llama amina aromàtica si por lo menos uno de los grupos unidos directamente al nitrógeno es aromàtico, son aromàticos aquellos cuyas moléculas tienen un anillo de seis carbonos y pocos hidrógenos. NOMENCLATURA AMINAS En los nombres de las aminas, se mencionan primero los grupos alquilo unidos al nitrógeno, seguidos del sufijo −amina. Se pueden emplear los prefijos di, tri y tetra para describir a dos, tres o cuatro sustituyentes idénticos. Al dar nombre a las aminas con estructura más complicadas, al grupo −NH2 se le llama grupo amino. El grupo amino se nombra como cualquier otro constituyente, con un número u otro símbolo que indique su posición en el anillo o cadena de carbonos. Con este sistema, las aminas secundarias y terciarias se nombran clasificando al átomo de nitrógeno (junto con sus grupos alquilo) como grupo alquilamino. Se toma el grupo alquilo mayor o más complicado como la molécula matriz. NOMBRES IUPAC La nomenclatura IUPAC para las aminas es semejante a la correspondiente a los alcoholes. El nombre de la raíz lo determina la cadena continua más larga de átomos de carbono. La terminación −o del nombre del alcano se cambia a la terminación −amina y se emplea un número para indicar la posición del grupo amino en la cadena. A los sustituyentes a lo largo de la cadena de carbonos se les asignan números para especificar sus ubicaciones, y se usa el prefijo N− para cada sustituyente en el átomo de nitrógeno. 1− butamina 2− butamina 3−metil−1−butamina N−metil−2−butamina 2,4N,N−tetrametil−3−hexanamina N,N−dietiletanamina (trietilamina)
A las aminas aromáticas y heterociclicas se les conoce por lo general por sus nombres históricos. Por ejemplo, a la fenilamina se le llama anilina, y sus derivados se nombran como derivados de la anilina. Anilina p−nitroanilian 3,5−dietilanilina N,N−dietilanilina
A continuación se muestran los nombres y estructuras de algunos heterociclos comunes con nitrógeno y sus derivados. Por lo general se asigna la posición 1 al heteroátomo. Aziridina pirrol pirrolidina 1−metilpirrolidina imidazol indol Piridina 2−metilpiridina piperidina pirimidina purina
MÉTODOS DE OBTENCIÓN O RUTAS DE SÍNTESIS Se dispone de muchos métodos para su sinterización, algunos derivan de las reacciones de las amidas. Los métodos o síntesis se dividen en generales y específicos, que a continuación se describen. •
SÍNTESIS POR AMINACIÓN REDUCTIVA.−Este método es el mas general de síntesis de amidas , implica la reducción de la imina u oxima de una acetona o aldeido, esta se reduce con hidruro de litio y 2
aluminio (LiAlH4 )o por hidrogenación catalítica. Este proceso agrega un grupo alquilo al átomo de nitrógeno el producto pude ser una amina primaria secundaria terciaria dependiendo si la amina que se utilizo como materia prima tenia cero, uno o dos grupos alquilos. a) Aminas primarias, se forman por condensación de la hidroxilamina (cero grupo alquilo) con una cetona o un aldeido seguida de la reducción de la oxima. La mayor parte de las oximas son compuestos estables que se aíslan fácilmente se reduce mediante reducción catalitica con hidruro de litio y aluminio o con cianobrorhiduro de sodio (NaBH3CN ) 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 amina secundaria. Aminas terciarias. La condensación de una cetona o un aldehído con una amina secundaria produce una sal de iminio. Estas sales son frecuencia inestable y por o mismo no se aíslan. Un agente reductor en la solución reduce la sal de iminio, pero no se reduce el grupo carbonilo de la cetona o aldehído. El cianoborohidrodruro de sodio (Na BH3CN) trabaja bien en esta reducción, por que es menos reactivo que el borohidroburo de sodio, y no reduce al grupo carbonilo.
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2) SÍNTESIS POR ACILACIÓN−−REDUCCIÓN.− Esta es la segunda síntesis general, y como la anterior agrega un grupo alquiloal átomo de nitrógeno de la amina inicial. La acilacion de la amina inicial por un cloruro de ácido produce una amida, sin tendencia a la sobreacilación . La reducción de una amida mediante el hidruro de litio y aluminio ( LiAlH4) produce la amina correspondiente. Esta síntesis convierte el amoniaco en una amina primaria, las aminas primarias en secundarias y las secundarias en terciarias. Estas reacciones son generales aunque tienen una restricción: el grupo alquilo que se añade siempre es primario , porque el carbono unido al nitrógeno se deriva del grupo carbonilo de la amida , que se reduce al grupo metileno(−CH2−). • • •
Aminas primarias. Aminas secundarias. Aminas terciarias.
REDUCCIÓN DE NITRO COMPUESTOS; SÍNTESIS DE ARILAMINAS. Los grupos nitro 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. La reducción de compuestos nitro se emplea principalmente para la síntesis de anilinas sustituidas. ALQUILACIÓN DIRECTA DEL AMONIO Y LAS AMINAS. La redacción de la aminas con halógenos de aquilo se complica por la tendencia a la sobre alquilación para formar una mezcla de productos mono y polialquilados. Sin embargo las aminas simples se pueden sintetizar agregando exceso deaminiaco a un amoniaco a un halogenuro o tosilato que sea buen sustrato SN2. como esta presente gran exceso de amoniaco, la probabilidad de que una molécula del halogenuro alquile el amoniaco es mucho mayor que la probabilidad de sobrealquilar una amina. Se puede emplear al sustitución nucleofilica aromática para sintetizar las arilaminas si hay un grupo que atrae electrones en posición orto o para, con respecto al lugar de la sustitución. Esta reacción se detiene por lo general en el producto deseado, por éste (una arilamina) es menos básico y menos nucleofilico que el reactivo (una aiquilamina) REACCIONES DE AMINAS Una amina puede funcionar como base de Bronsted−Lowry aceptando el protón de un ácido. 3
RNH2 −− H − X RNH3+ X− Como las aminas son bases fuertes, sus soluciones acuosas son básicas. Una amina puede sustraer un protón del agua, produciendo un ión amonio y un ión hidroxilo. A la constante de equilibrio de esta reacción se le llama constante de basicidad para la amina y se representa por Kb. RNH2 + H2O RNH3+ + OH − Y Kb está dada por la expresión: Kb = Mientras mayor sea el valor de Kb, mayor será la tendencia de la amina a aceptar un protón del agua y, así pues, mayor será la concentración de RNH3+ Y OH − en la solución. Los valores altos de Kb están por lo tanto asociados con aquellas aminas que son bases más fuertes y los valores menores de Kb corresponden a las aminas que son bases débiles. ALQUILACIÓN DE AMINAS POR HALOGENUROS DE ALQUILO Las aminas reaccionan con los halogenuros de alquilo primarios formando halogenuros de amonio alquilados. La alquilación se lleva a cabo mediante el mecanismo SN2, de modo que no se lleva a cabo con los halogenuros terciarios, porque están demasiado impedidos. Los halogenuros secundarios con frecuencia dan bajos rendimientos y la eliminación predomina sobre la sustitución. Desafortunadamente, la sal que se forma inicialmente puede desprotonarse. La amina secundaria resultante es nucleofílica, y puede reaccionar con otra molécula del halogenuro. La dificultad al emplear esta alquilación directa estriba en detenerla en la etapa deseada. Aún si se agrega sólo un equivalente del halogenuro, algunas moléculas de amina reaccionan una, dos y hasta tres veces (produciendo la sal de tetraalquil amonio). Sin embargo, hay dos tipos de reacción donde la alquilación de las aminas da buenos rendimientos de los productos alquilados que se desean: •
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La alquilación exhaustiva para obtener la sal de tetraalquil amonio. Se evitan las mezclas de diferentes productos alquilados si se agrega suficiente halogenuro de alquilo para alquilar la amina tantas veces como sea posible. Esta alquilación exhaustiva da la sal de tetraalquil amonio. Se agrega una base débil (con frecuencia NaHCO3 o NaOH diluido) para desprotonar las aminas alquiladas intermedias y para neutralizar las grandes cantidades de HX que se forman en lareacción. Reacción con un gran exceso de amoniaco. Como el amoniaco es barato y de bajo peso molecular, se puede emplear en exceso. Si se agrega lentamente un halogenuro de alquilo primario a un exceso de amoniaco, se forma la amina primaria y es reducida la probabilidad de dialquilación. El amoniaco restante se deja evaporar.
REACCIONES DE AMINAS CON ÁCIDO NITROSO Las reacciones de las aminas con ácido nitroso (H − O − N = O) son especialmente útiles. Como el ácido nitroso es inestable, se genera in sitru (en el medio de reacción) mezclando nitrito de sodio (NaNO2) con ácido clorhídrico diluido y frío. En una solución ácida, el ácido nitroso se puede protonar y perder agua para formar el ion nitrosonio, +N = O. Este ion nitrosonio parece ser el intermediario resctivo en la mayor parte de las reacciones entre aminas y ácido nitroso.
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Reacción con aminas primarias: formación de sales de diazonio. Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso , a través del ion nitrosonio, para producir cationes de diazonio de la forma R − N = N. A este procedimiento se le llama diazoación de la amina. Las sales de diazonio son los productos más útiles que se obtienen con reacciones de aminas con ácido nitroso. El mecanismo de la formación de la sal de diazonio comienza con un ataque nucleofílico del ion nitrosonio para formar una N−nitrosoamina.
A continuación, la transferencia de un protón de un átomo de nitrógeno al oxígeno forma un grupo hidroxilo y un segundo enlace N − N. La protonación del grupo hidroxilo, seguida de pérdida de agua, produce el catión diazonio. La reacción total de diazoación es: Las sales de alcanodiazonio son inestables. Se descomponen rápidamente en nitrógeno y carbocationes. 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 que se han visto: por ataque nucleofílico para dar sustitución, por sustracción de protón para dar eliminación, y por rearreglo. •
Reacciones con aminas secundarias: formación de N−nitrosoaminas. Las aminas secundarias reaccionan con el ion nitrosonio para formar N−nitrosoaminas secundarias.
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 de formación de cationes de diazonio. •
Reacción 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 posible la pérdida de un protón para dar la N−nitrosoamina. Simplemente se presenta un equilibrio entre la amina y la sal de N−nitrosoamonio.
REACCIONES DE COPULACIÓN DE LAS SALES DE DIAZONIO Las sales de diazonio son electrófilos débiles; reaccionan con compuestos aromáticos muy reactivos produciendo compuestos azo. Esta reacción de sustitución aromática electrofílica se conoce con frecuencia como reacción de copulación diazo. Las reacciones de copulación entre las sales de diazonio y los fenoles se llevan a cabo con mucha rapidez en solución ligeramente alcalina. Bajo estas condiciones gran parte del fenol presente se encuentra como ion fenóxido, ArO − y los iones fenóxidos son todavía más reactivos en las sustituciones electrofílicas que los fenoles mismos. Sin embargo, si la solución es demasiado alcalina (pH mayor que 10) la sal de diazonio misma reacciona con el ion hidróxido formando un diazohidróxido o ion diazotato no reactivo: La reacción de copulación de las aminas se llevan a cabo con mayor rapidez en soluciones ligeramente ácidas (pH 5−7). Bajo estas condiciones la concentración de la sal de diazonio es máxima; al mismo tiempo no es grande la cantidad de amina que se ha convertido en una sal de amina no reactiva USOS E IMPORTANCIA DE LAS AMINAS A NIVEL INDUSTRIAL. Las aminas como compuestos son muy importantes y reconocidas en industrias como las cosméticas y textiles por el uso o aplicación de la p−Fenilendiamina y algunos derivados se usan en composiciones para teñir el pelo y como antioxidantes para caucho. 5
La dimetilanilina se obtiene en la industria por reacciones de la anilina con metanol. H N NH (p−Fenilendiamina) CH NH + 2H C−OH H N + 2H O 200 ºC CH Este producto se utiliza en cantidades importantes en la industria de colorantes (como copulante en colorantes azoicos y es la base de la fabricación de colorantes de trifenil metano. Las aminas de cadena larga son la base para la fabricación de tensoactivos. Los principales tipos son los siguientes. CATIONICOS. CH a) H C− (CH)−CH−N−CH CL CH H C−(CH)−CH CH b) N Br H C−(CH)−CH CH H c) H C−(CH)−CH−N−H O−C−CH HO NO IONICOS BASICOS. H d) H C−(CH)−CH−N−CH−CH−CH−NH (Dianinas grasas) CH−CH OH e) H C−(CH)−CH−N CH−CH OH (Aminas atoxiladas)
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Estos compuestos tienen aplicaciones muy diversas de interés industrial: son bactericidas y alguicidas de gran consumo y se utilizan como inhibidores de la corrección de tuberías metálicas o en los líquidos ácidos para limpiar la herrumbre, porque forman una capa hidrófoba protectora al unirse a la superficie del metal por la parte polar. Los tenso actínidos catiónicos son agentes de flotación que se utilizan para separar minerales valiosos de su ganga, porque se absorben sobre las partículas cristalinas ácidas. En otros casos el que flota es preferentemente el mineral valioso, dependiendo de su composición. Los compuestos de tipo b) con dos cadenas largas en el N, son los componentes activos de los productos suavizantes o ablandadores de tejidos que se usan después de el lavado y enjuagado de toallas, sabanas y prendas de vestir al fijarse sobre las fibras por su parte ionica las lubrica e impide su adherencia al secarse. Las aminas de tipo e) se utilizan para preparar emulsiones de asfalto que se adhieren muy bien al lecho de roca o piedras y al cemento. Las etanolaminas se utilizan para preparan amidas que son detergentes no iónicos empleados en preparados cosméticos, por su carácter suavizante, y para la fabricación de morfolina, un disolvente industrial de amplio uso. H N−CH−CH OH AMIDAS
Las amidas son derivados del amoniaco o de las aminas, éstas son productos que se obtienen por acilación de aminas alifáticas o aromáticas, también son derivados de los ácidos carboxílicos. Las amidas secundarias se conocen con el nombre de imidas; las amidas derivadas de tres sustituciones de hidrógeno del amoniaco por grupos acilos son las amidas terciarias. Las amidas son sólidos a temperatura ambiente y poseen un punto de ebullición muy alto. Fundamentalmente ello se debe a la posibilidad de asociación por puentes de hidrogeno entre el grupo carbonilo de la amida y los hidrógenos del grupo amino, que dan lugar a una estructura del siguiente tipo entre moléculas, lo que hace que presenten formas cristalinas estables: C=O.H−N La polarización del grupo carbonilo hace que posean un momento bipolar elevado por tanto presentan simultáneamente una capacidad de asociación al margen de los puentes de hidrógeno, debida a los momentos bipolares permanentes, que producen atracciones electroestáticas adicionales. La sustitución de los hidrógenos por grupos alquílicos en el grupo amino hacen que disminuya su capacidad de formación de puentes de hidrogeno, por la que las amidas de estas características poseen puntos de fusión y ebullición mas bajos. CLASIFICACION DE AMIDAS
Una amida se forma por la reacción de un àcido carboxilico con amoniaco o una amina, se considera que el grupo funcional de la amida es neutro. Las amidas se clasifican en primarias, secundarias y terciarias. A una amida de la forma R−−−−CO−−−−NH2 se le llama amida primaria porque solo tiene un àtomo de carbono unido al àtomo de nitrógeno. R−−−−C−−−−NH2 Amida primaria
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A una amida que tenga un grupo alquilo en el nitrógeno R−−−−CO−−−−NHR' se le conoce como amida secundaria o bien amida N−sustituida. R−−−−C−−−−N−−−−R' amida secundaria (amida N−sustituida) A las amidas con dos grupos alquilo en el nitrógeno (R−−−−CO−−−−NR'2) se le llama amidas terciarias o amidas N,N−disustituidas. R−−−−C−−−−N−−−−R' amida terciaria. (amida N,N−disustituida) NOMENCLATURA DE AMIDAS.
Para dar nombre a una amida primaria , se menciona primero el ácido correspondiente. Se eliminan la palabra ácido y el sufijo ico, o el sufijo oico del nombre del ácido carboxílico, y se le agrega el sufijo amida. Las amidas secundarias y terciarias se nombran tratando a los grupos alquilo en el nitrógeno como sustituyentes, especificando su posición mediante el prefijo N−. Nombre IUPAC: N−etiletanamida N, N−dimetilmetamida N−etil−N,2−dimetilpropanamida. Nombre común: N−etilacetamida N,N−dimetilformamida N−etil−N−metilisobutiramida.
Para los ácidos llamados alcanocarboxílicos, las amidas correspondientes se designan empleando el sufijo carboxamida. Algunas amidas, como la acetanilida, tienen nombres históricos que todavía se emplean. Ciclopentanocarboxamida N,N−dimetilciclopropanocarboxamida Acetanilida.
Lactamas A las amidas cíclicas se les llama lactamas. Estás se forman a partir de los aminoácidos, donde el
grupo amino y el grupo carboxilo se han unido para formar la amida. Las lactamas se nombran como a las lactonas, y se emplean con mayor frecuencia los nombres comunes que los nombres IUPAC. Nombre IUPAC: ácido 4−aminobutanoico lactama del ácido 4−aminobutanoico Nombre común: ácido y− aminobutíricol y− butirolactama.
REACCIONES DE LAS AMIDAS
Como las amidas son los derivados de ácido más estables, no se convierten fácilmente en otros derivados por sustitución nucleofílica de acilo. Desde el punto de vista de la síntesis, su reacción más importante es la reducción para formar una amina; este es uno de los mejores métodos para sintetizar este grupo funcional. El rearreglo de Hoffman convierte también las amidas en aminas, con pérdida de un átomo de carbono. Aunque se considera que una amida es un grupo funcional neutro, es débilmente básico y débilmente ácido, y se hidroliza mediante ácidos o bases fuertes. Deshidratación de amidas a notrilos. Los agentes deshidratantes fuertes pueden eliminar una molécula de agua de una amida primaria para formar un nitrilo. La deshidratación de las amidas es uno de los métodos más comunes para síntesis de nitrilos. El pentóxido de fósforo (P2O5) es el reactivo tradicional para esta 8
deshidratación, pero a veces el oxicloruro de fósforo (POCl3) da mejores rendimientos. USOS INDUSTRIALES ACRILAMIDA
La acrilamida es un compuesto orgánico de tipo amida. Es blanca, inodora y cristalina, soluble en agua, etanol y éter. Se emplea en la fabricación de papel, extracción de metales, industria textil y obtención de colorantes. También se emplea en la síntesis de poliacrilamidas. La acrilamida se puede formar al calentar comida (especialmente compuestos que contienen almidón), friéndola o asándola a más de 120 ºC, se podría formar a través de diferentes mecanismos a partir de diferentes compuestos presentes en la comida, como aminoácidos, proteínas, carbohidratos, lípidos, etc. esto puede suponer un problema pues según estudios en animales la acrilamida es un probable carcinógeno en humanos. El acido sulfanilico también se usa en la industria de colorantes azoicos y se obtiene calentando el sufato de anina. Las sulfanilamida y sus derivados tienen un alto poder bacteriostatico; constituyen el arma poderosa contra las enfermedades infecciosas antes del descubrimiento de la penicilina y todavía hoy se consumen extensamente. La primera sulfamida utilizada fuel el prontosil , un colorante azoico de sulfanilamida, que es el agente activo. Sean sintetizados varios miles de derivados de los que unos 40 se han comercializado, por ejemplo: Sulfapiridina, sulfapirimidina, sulfameacina, sulfatiazol, sulfametoxazol, acilsulfatiazoles, sulfaguanidina. La actividad antibacteriana de las sulfamidas se debe a que son antagonistas (antimetabolitos) del acido p−aminobenzoico(pab), que es un metabolito esencial para el crecimiento de las bacterias. La semejanza entre el paba y las sulfas hace que estas ocupen el lugar de aquel en la síntesis de acido folico dando un compuesto análogo sin actividad vitaminica. Algunos medicamentos antidiabéticos son sulfonamidas mas complejas como: carbutamida, tolbutamida y sulfonamidas Las sulfonamidas fueron las primeras drogas eficaces empleadas para el tratamiento sistémico de infecciones bacterianas en el ser humano. Les caracteriza compartir una estructura química similar al ácido para−amino−benzoico (paba). La evolución en la investigación, con la aparición de nuevos agentes, limitó su uso. Actualmente el cotrimoxazol aumenta su interés clínico. Esta es una combinación a dosis fijas de sulfametoxazol (smx) con trimetoprim (tmp). Inicialmente aprobado por la food and drug administration (fda) para su uso en: infección urinaria crónica, neumonía por pneumocystis carinii, shigelosis y otitis media, posteriormente se le asignó otros usos. Estructura química. El compuesto base de las sulfonamidas es la sulfanilamida, cuya estructura es similar al paba, factor requerido por las bacterias para la síntesis del ácido fólico. Importa el grupo amino libre en posición 4 pues se relaciona con su actividad. Las sustituciones a nivel del radical sulfonilo modifican las características farmacocinéticas, pero no la actividad antibacteriana. Las sustituciones en el grupo amino en posición 4 dan compuestos de menor absorción intestinal. Mecanismo de acción. Las sulfonamidas son análogos estructurales y antagonistas del paba (ácido para amino 9
benzoico) e impiden la utilización de este compuesto para la síntesis de ácido fólico. Este a su vez actúa en la síntesis de timina y purina. Esta acción se ejerce compitiendo por la acción de una enzima bacteriana responsable de la incorporación de paba al ácido dihidropteroico, precursor del ácido fólico. Las células de los mamíferos requieren ácido fólico preformado ya que no pueden sintetizarlo y por lo tanto no son atacadas. El efecto sinérgico de las sulfonamidas asociadas a trimetoprim se debe a la inhibición secuencial de esta vía metabólica.
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