Formazione di immine ed enammine: il ruolo del pH

I nucleofili azotati — ammoniaca e ammine — si addizionano al carbonile dando prodotti diversi a seconda del tipo di ammina. Le ammine primarie portano alle immine (note anche come basi di Schiff), con un doppio legame C=N; le ammine secondarie portano alle enammine, con un doppio legame C=C accanto all'azoto. In entrambi i casi si elimina acqua, e il controllo dell'acqua e del pH è decisivo.

Vediamo il meccanismo di formazione dell'immina, perché il pH ottimale è circa 4, come nascono le enammine e dove tutto questo conta in biologia.

Immine dalle ammine primarie

Ammoniaca, ammine primarie alifatiche (RNH₂) e ammine aromatiche (ArNH₂) si addizionano al carbonile e, con perdita di una molecola d'acqua, danno un'immina: un composto con un doppio legame carbonio–azoto (C=N). L'immina è chiamata anche base di Schiff. In genere le immine sono instabili e non si isolano, a meno che il doppio legame C=N faccia parte di un sistema coniugato esteso che le stabilizza.

R₂C=O + R'NH₂ (pH ≈ 4) ⇌ R₂C=N–R' + H₂O (immina / base di Schiff)

Il meccanismo passo dopo passo

L'ammina, nucleofilo azotato, attacca il carbonio carbonilico formando un intermedio tetraedrico con carica negativa sull'ossigeno e positiva sull'azoto. Un trasferimento di protoni dà un intermedio neutro detto carbinolammina (o emiamminale). A questo punto interviene l'acido: protona l'ossidrile, che se ne va come acqua, e si forma il doppio legame C=N dell'immina. Le ammine alchiliche, più nucleofile, riescono ad addizionarsi al carbonile anche senza protonazione preliminare; quelle aromatiche, meno nucleofile, ne hanno più bisogno.

Perché il pH ottimale è circa 4

Qui sta la «chicca» più istruttiva. La formazione dell'immina è sensibile alla quantità di acido, in modo apparentemente contraddittorio. L'acido serve, perché lo stadio in cui si perde acqua richiede di protonare l'intermedio. Ma se l'acido è troppo, protona tutta l'ammina trasformandola nel suo sale (ammonio), che non è più nucleofilo e quindi non può attaccare il carbonile nel primo stadio. Esiste perciò un compromesso: un pH attorno a 4 è ottimale, abbastanza acido da far procedere la disidratazione, abbastanza poco da lasciare libera una quota di ammina nucleofila.

Enammine dalle ammine secondarie

Con un'ammina secondaria non si può formare un'immina, perché l'azoto non ha l'idrogeno necessario a costituire il doppio legame C=N. Al suo posto si forma un'enammina: dopo l'eliminazione di acqua, il doppio legame si forma tra i due carboni (C=C) accanto all'azoto. Il nome stesso lo dice: en– per il doppio legame carbonio–carbonio, ammina per il gruppo amminico. Anche questa reazione è un equilibrio, e per spingerla verso il prodotto si rimuove l'acqua via via che si forma, per esempio con una trappola che la sottrae per distillazione azeotropica (trappola di Dean–Stark).

Immine in biologia

Le immine non sono solo da laboratorio. Un esempio celebre è la visione: la retinaldeide (la forma aldeidica della vitamina A) è legata alla proteina opsina nella retina umana proprio attraverso un legame immina, formato con un gruppo amminico della proteina. La luce isomerizza la parte retinaldeidica e innesca la cascata che porta al segnale nervoso. Anche molti enzimi sfruttano immine come intermedi nei loro meccanismi: gli enzimi che usano il piridossal-fosfato (vitamina B6) per trasformare gli amminoacidi, per esempio, legano il substrato proprio attraverso una base di Schiff. La reattività del carbonile verso l'azoto, qui, è alla base di processi biologici fondamentali, dalla vista al metabolismo delle proteine.

Domande frequenti

Che cos'è un'immina?

È un composto con un doppio legame carbonio–azoto (C=N), chiamato anche base di Schiff. Si forma dalla reazione di un'aldeide o di un chetone con ammoniaca o un'ammina primaria, con eliminazione di una molecola d'acqua. In genere le immine sono instabili, salvo quando il C=N fa parte di un sistema coniugato.

Qual è la differenza tra immina ed enammina?

L'immina nasce da un'ammina primaria e ha un doppio legame carbonio–azoto (C=N). L'enammina nasce da un'ammina secondaria, che non può formare il C=N, e ha invece un doppio legame carbonio–carbonio (C=C) adiacente all'azoto. Il prodotto dipende quindi dal tipo di ammina.

Perché il pH ottimale per formare un'immina è circa 4?

Perché serve un equilibrio. L'acido è necessario per protonare l'intermedio e permettere la perdita d'acqua; ma troppo acido protona tutta l'ammina trasformandola in sale di ammonio, che non è più nucleofilo e non può attaccare il carbonile. Un pH attorno a 4 bilancia le due esigenze.

Perché si rimuove l'acqua durante la formazione dell'enammina?

Perché la reazione è un equilibrio reversibile. Sottraendo l'acqua via via che si forma, per esempio con una trappola di Dean–Stark che la elimina per distillazione, l'equilibrio viene spinto verso il prodotto e la resa in enammina aumenta.

Le immine hanno importanza biologica?

Sì, notevole. Nella retina la retinaldeide (forma aldeidica della vitamina A) è legata alla proteina opsina attraverso un legame immina: è un passaggio chiave del meccanismo della visione. Molti enzimi, inoltre, usano immine come intermedi di reazione.