19.9 : 複素環芳香族アミンの塩基性

N 原子が脂環式系の一部である複素環アミンは、塩基性がアルキルアミンと似ています。 興味深いことに、芳香環の一部として窒素原子を有する複素環アミンは、対応する脂環式アミンよりも塩基性がはるかに低い。 このため、図 1 に示すように、ピペリジン (pK_b = 2.8) はピリジン (pK_b = 8.8) よりも大幅に塩基性が高くなります。

図1. ピペリジンとピリジンの塩基性の比較。

この塩基性度の違いは、図 2 に示すように、N 原子上の孤立電子対を含む軌道の混成状態に起因すると考えられます。ピペリジンの場合、孤立電子対は、より低い s を有する sp^3 混成軌道に存在します。 これにより、孤立電子対が酸に対して塩基性を示しやすくなります。 一方、ピペリジンでは、孤立電子対は、はるかに高い s 特性を含む sp^2 混成軌道に存在します。 その結果、孤立電子対はアリール環により強固に結合し、酸に対して塩基性を示すことが少なくなります。

図2. 塩基性に対する混成軌道の影響。

ピロールはピリジンよりもはるかに塩基性が低く、pK_b 値は 15 です。図 3 に示す N 原子上の孤立電子対は純粋な p 軌道に存在し、C 原子の p 軌道と完全に整列しています。 リングの芳香性。 したがって、ピロールの N 原子上の孤立電子対は、リング全体の共鳴によって非局在化されます。 逆に、sp^2 混成軌道にあるピリジンの N 原子上の孤立電子対は、共鳴に参加している C 原子の他の sp^2 軌道に対して垂直に並んでいます。 したがって、ピリジンの N 原子上の孤立電子対は、ピロールよりもはるかに多く利用できるため、ピリジンの塩基性が高くなります。

図3. ピロールのルイス構造。

イミダゾールは 5 員環に 2 つの N 原子を含み、多くのタンパク質に見られる重要な複素環です。 pK_b 7 のこの複素環アミンは、ピリジンよりも 100 倍塩基性が高くなります。ピロールの N 原子に似た N 原子は非塩基性です。 もう一方の N 原子は塩基性であり、酸から H を引き抜いて共役酸を生成します。図 4 に示すように、共役酸は共鳴によって安定化します。共役塩基のこの共鳴安定化により、ピリジンと比較してイミダゾールの塩基性が増加します。

図4. イミダゾリウムイオンの共鳴安定化。

アミンの塩基性は、他の中性化合物を含む混合物からアミンを分離するための貴重な実用的なツールとなります。 これは、不純な混合物をエーテルに溶解し、分液漏斗内で水とともに振盪することによって達成されます。 2 つの層が分離した後、水層を排水すると、塩とほとんどの無機不純物が除去されます。 希酸水溶液を有機層に添加すると、アミンは選択的にプロトン化されて対応する酸になり、水層に溶解します。 有機層を排出すると、中性の有機不純物が除去されます。 水層をゆっくりと塩基性化すると、遊離アミンが再生され、新たな量のエーテルを使用して抽出できます。 続いてエーテルを蒸発させると、純粋なアミンが得られます。