Ammine: proprietà e basicità dei composti azotati

Le ammine sono le basi organiche più importanti: portano un azoto con almeno una coppia solitaria disponibile a ricevere un protone. Dalla metilamina agli amminoacidi fino alle basi azotate del DNA, comprendere la basicità delle ammine è indispensabile sia per la chimica di sintesi sia per la biochimica. Brown (capitolo 23) mostra come struttura, sostituzione e coniugazione influenzano il pKa dell’acido coniugato in modo quantitativo.

Esploreremo la struttura, la nomenclatura, le proprietà fisiche, la scala di basicità con valori di pKa verificati dal libro, e le reazioni principali.

Struttura e classificazione

Un’ammina è un derivato dell’ammoniaca (NH₃) in cui uno, due o tre H sono stati rimpiazzati da gruppi alchilici o arilici. La classificazione è riferita all’azoto — diversamente dagli alcoli, dove si classifica il carbonio — e conta i C legati ad N: primaria (1°, R−NH₂), secondaria (2°, R₂NH), terziaria (3°, R₃N). Gli ioni ammonio quaternario (R₄N⁺) non hanno più la coppia solitaria: non sono basi.

Basicita’ e scala di pKa

La forza come base di un’ammina si misura con il pKa del suo acido coniugato (ione ammonio R−NH₃⁺): più alto è pKa, più forte è la base. La protonazione in acqua è descritta da Kb; la relazione con pKa dell’acido coniugato vale:

pKa(BH⁺) + pKb = 14   (in acqua a 25 °C)

Perche’ l’anilina e’ molto meno basica delle ammine alifatiche

L’anilina ha pKa = 4,6 (acido coniugato), quindi è una base 10⁶ volte più debole della metilamina. Il motivo è la coniugazione: la coppia solitaria dell’azoto è delocalizzata nel sistema π dell’anello benzenico (risonanza), il che la rende meno disponibile a legarsi a un protone. Brown lo illustra bene con le strutture di risonanza che mostrano la coppia solitaria distribuita su posizioni orto e para dell’anello. Gruppi elettron-attrattori (NO₂, CN) in para abbassano ulteriormente la basicità dell’anilina; gruppi elettron-donatori (OCH₃) la alzano leggermente.

R−NH₂ + H₂O ⇌ R−NH₃⁺ + OH⁻  Kb = [RNH₃⁺][OH⁻]/[RNH₂]

Proprieta’ fisiche: punti di ebollizione e solubilita’

Le ammine primarie e secondarie formano legami a idrogeno N−H···N (più deboli di O−H···O) e bollono più in alto degli alcani corrispondenti, ma più in basso degli alcoli. La trimetilammina non ha H su N e bolle a soli 3 °C, è un gas a temperatura ambiente. Le ammine a basso PM sono miscibili con l’acqua. L’odore tipico di molte ammine a basso PM è quello di pesce marcio: putrescina (1,4-diaminobutano) e cadaverina (1,5-diaminopentano) si formano dalla decomposizione degli amminoacidi.

Reazioni principali delle ammine

Come basi, le ammine reagiscono con acidi (HCl, H₂SO₄) formando sali di ammonio cristallini, molto più solubili in acqua dell’ammina neutra. Come nucleofili, attaccano carbonili, alogenuri alchilici e acidi carbossilici. Con i cloruri acilici si formano ammidi; con le aldeidi si formano immine (basi di Schiff), utili in sintesi e in biochimica (legame covalente tra enzimi e substrati carbonilici). Con il gas NO (da HNO₂ + HCl) le ammine primarie alifatiche formano sali di diazonio instabili, mentre le arilamine formano sali di diazonio stabili (usati per la sintesi di coloranti azo).

Basicita’ e struttura: riepilogo

Questi dati (Brown, cap. 23 e tabelle appendice) mostrano l’effetto combinato di induzione e solvatazione per le ammine alifatiche, e la coniugazione per quelle aromatiche. Il valore pKa è la bussola per capire il comportamento di un’ammina a un dato pH fisiologico o di reazione.

Dalle ammine aromatiche primarie si ottengono i sali di diazonio e la reazione di Sandmeyer.

Domande frequenti

Cos’è il pKa dell’acido coniugato di un’ammina e come si usa?

È il pKa dell’ione BH⁺ (ammonio), ottenuto protonando l’ammina. Misura la tendenza di BH⁺⁺ cede poco il protone, cioè l’ammina è una base forte. Per sapere se un’ammina è protonata a un dato pH, si confronta il pH con pKa(BH⁺): se pH < pKa prevale la forma protonata (sale), se pH > pKa prevale la base libera.

Perché l’anilina è così meno basica delle ammine alifatiche?

Perché la coppia solitaria dell’azoto è delocalizzata per coniugazione nel sistema π del benzene: le strutture di risonanza mostrano densità elettronica sulle posizioni orto e para. Protonando l’anilina si rompe questa delocalizzazione, costando energia. Il pKa = 4,6 contro 10,6 della metilamina: differenza di 10⁶ in Kb.

Come mai la trimetilammina è meno basica della dimetilammina?

Per l’effetto della solvatazione. Tre metili aumentano l’effetto induttivo ma rendono lo ione trimetilammonio ingombrato, meno facile da solvatizzare con le molecole d’acqua. In solvente poco solvente la trimetilammina è più basica della dimetil; in acqua è meno basica. È un bellissimo esempio di come il solvente moduli la basicità effettiva.

Come reagisce un’ammina con un cloruro acilico?

L’azoto, nucleofilo, attacca il carbonio del cloruro acilico (elettrofilo); il cloro lascia come ione cloruro (ottimo gruppo uscente). Il prodotto è un’ammide. La reazione è veloce e molto esotermica; richiede di solito una base aggiuntiva (piridina, Et₃N) per neutralizzare HCl liberato e prevenire la protonazione dell’ammina. Le ammidi così formate sono stabili e difficili da idrolizzare rispetto ad esteri.

Che cosa sono le basi di Schiff?

Sono immine formate dalla condensazione di un’ammina primaria con un’aldeide o un chetone: R−NH₂ + R’−CHO ⟶ R−N=CH−R’ + H₂O. Il legame C=N è detto legame iminico. Le basi di Schiff si formano a pH ottimale 4–5 (dove l’ammina è parzialmente protonata ma ancora nucleofila, e il carbonile è attivato). Sono centrali in biochimica: piridossale fosfato (vitamina B₆) agisce proprio come base di Schiff con gli amminoacidi nelle transaminazioni.