19.9 : Zasadowość heterocyklicznych amin aromatycznych

Aminy heterocykliczne, w których atom N jest częścią układu alicyklicznego, mają podobną zasadowość do alkiloamin. Co ciekawe, amina heterocykliczna posiadająca atom azotu w pierścieniu aromatycznym ma znacznie mniejszą zasadowość niż jej odpowiedni alicykliczny odpowiednik. Z tego powodu, jak przedstawiono na rycinie 1, piperydyna (pK_b = 2,8) jest znacznie bardziej zasadowa niż pirydyna (pK_b = 8,8).

Rysunek 1. Porównanie zasadowości piperydyny i pirydyny.

Tę różnicę w zasadowości można przypisać stanowi hybrydyzacji orbitali zawierających samotną parę elektronów na atomie N, jak pokazano na Rysunku 2. W przypadku piperydyny wolna para znajduje się na orbicie zhybrydyzowanym sp^3 o niższym s charakter, dzięki czemu samotna para jest bardziej dostępna i wykazuje zasadowość w stosunku do kwasu. Z drugiej strony w piperydynie samotna para znajduje się na orbicie zhybrydyzowanym sp^2 o znacznie wyższym charakterze s. W rezultacie samotna para jest ściślej związana z pierścieniem arylowym i mniej dostępna dla wykazywania zasadowości w stosunku do kwasu.

Rysunek 2. Wpływ zhybrydyzowanych orbitali na zasadowość.

Pirol jest znacznie mniej zasadowy niż pirydyna i ma wartość pK_b wynoszącą 15. Samotna para elektronów na atomie N pokazana na Rysunku 3 znajduje się na czystym orbicie p i jest idealnie wyrównana z orbitalami p atomów C, które biorą udział w aromatyczność pierścienia. Dlatego samotna para elektronów na atomie N pirolu ulega delokalizacji w wyniku rezonansu w całym pierścieniu. I odwrotnie, samotna para na atomie N pirydyny znajdująca się na orbicie zhybrydyzowanym sp^2 jest ustawiona prostopadle do pozostałych orbitali sp^2 atomów C biorących udział w rezonansie. Zatem samotna para elektronów na atomie N pirydyny jest znacznie bardziej dostępna niż w pirolu, co skutkuje wyższą zasadowością pirydyny.

Rysunek 3. Struktura pirolu Lewisa.

Imidazol zawiera dwa atomy N w pięcioczłonowym pierścieniu i jest istotnym heterocyklem występującym w wielu białkach. Ta heterocykliczna amina o pK_b wynoszącym 7 jest bardziej zasadowa niż pirydyna 100-krotnie. Atom N przypominający atom pirolu nie jest zasadowy. Drugi atom N jest zasadowy i oddziela H od kwasu, dając początek jego sprzężonemu kwasowi, który jest stabilizowany przez rezonans, jak pokazano na Rysunku 4. Ta rezonansowa stabilizacja koniugatu zasady powoduje zwiększoną zasadowość imidazolu w porównaniu z pirydyną.

Rysunek 4. Stabilizacja rezonansu w jonach imidazoliowych.

Zasadowość amin zapewnia cenne praktyczne narzędzie do oddzielania amin od mieszaniny zawierającej inne związki obojętne. Osiąga się to poprzez rozpuszczenie zanieczyszczonej mieszaniny w eterze i wytrząsanie jej z wodą w rozdzielaczu. Po rozdzieleniu się obu warstw, odsączenie warstwy wodnej powoduje usunięcie soli i większości zanieczyszczeń nieorganicznych. Po dodaniu rozcieńczonego wodnego kwasu do warstwy organicznej aminy są selektywnie protonowane do odpowiedniego kwasu i rozpuszczają się w warstwie wodnej. Odwodnienie warstwy organicznej usuwa obojętne zanieczyszczenia organiczne. Powolne alkalizowanie warstwy wodnej ponownie regeneruje wolną aminę, którą można ekstrahować świeżą objętością eteru. Późniejsze odparowanie eteru daje czystą aminę.