19.9 : Basicità delle ammine aromatiche eterocicliche

Le ammine eterocicliche, in cui l'atomo N fa parte di un sistema aliciclico, sono simili in basicità alle alchilammine. È interessante notare che l'ammina eterociclica avente un atomo di azoto come parte di un anello aromatico ha una basicità molto inferiore rispetto alla sua corrispondente controparte aliciclica. Per questo motivo, come presentato in Figura 1, la piperidina (pK_b = 2,8) è significativamente più basica della piridina (pK_b = 8,8).

Figura 1. Confronto della basicità di piperidina e piridina.

Questa differenza di basicità può essere attribuita allo stato di ibridazione degli orbitali contenenti una coppia solitaria di elettroni sull'atomo N, come illustrato in Figura 2. Nel caso della piperidina, la coppia solitaria risiede in un orbitale ibridato sp^3 avente carattere s inferiore, rendendo la coppia solitaria più disponibile a mostrare basicità verso l'acido. D'altra parte, nella piperidina, la coppia solitaria risiede in un orbitale ibridato sp^2 contenente un carattere s molto più elevato. Di conseguenza, la coppia solitaria è legata più strettamente all'anello arilico e meno disponibile a mostrare basicità verso l'acido.

Figura 2. Effetto degli orbitali ibridati sulla basicità.

Il pirrolo è molto meno basico della piridina, avendo un valore pK_b di 15. La coppia solitaria di elettroni sull'atomo N mostrato in Figura 3 risiede in un orbitale p puro ed è perfettamente allineata con gli orbitali p degli atomi C, che partecipano alla aromaticità dell'anello. Pertanto, la coppia solitaria di elettroni sull'atomo N del pirrolo viene delocalizzata per risonanza in tutto l'anello. Al contrario, la coppia solitaria sull'atomo N della piridina, che si trova in un orbitale ibridato sp^2, è allineata perpendicolare agli altri orbitali sp^2 degli atomi C che prendono parte alla risonanza. Quindi, la coppia solitaria di elettroni sull'atomo N della piridina è molto più disponibile di quella del pirrolo, con conseguente maggiore basicità della piridina.

Figura 3. Struttura di Lewis del pirrolo.

L'imidazolo contiene due atomi N in un anello a cinque membri ed è un eterociclo vitale presente in molte proteine. Questa ammina eterociclica con un pK_b di 7 è più basica della piridina di un fattore 100. L'atomo N che assomiglia a quello del pirrolo non è basico. L'altro atomo N è basico e sottrae H dall'acido, dando origine al suo acido coniugato, che è stabilizzato dalla risonanza, come illustrato in Figura 4. Questa stabilizzazione per risonanza della base coniugata determina una maggiore basicità dell'imidazolo rispetto alla piridina.

Figura 4. Stabilizzazione della risonanza negli ioni imidazolio.

La basicità delle ammine fornisce un prezioso strumento pratico per separare le ammine da una miscela contenente altri composti neutri. Ciò si ottiene sciogliendo la miscela impura in etere e agitandola con acqua in un imbuto separatore. Dopo che i due strati si sono separati, il drenaggio dello strato d'acqua rimuove il sale e la maggior parte delle impurità inorganiche. Quando allo strato organico viene aggiunto acido acquoso diluito, le ammine vengono selettivamente protonate nell'acido corrispondente e si dissolvono nello strato acquoso. Il drenaggio dello strato organico rimuove l'impurità organica neutra. La lenta basificazione dello strato acquoso rigenera nuovamente l'ammina libera, che potrebbe essere estratta utilizzando un nuovo volume di etere. La successiva evaporazione dell'etere produce un'ammina pura.