19.9 : Basizität heterozyklischer aromatischer Amine

Heterocyclische Amine, bei denen das N-Atom Teil eines alicyclischen Systems ist, ähneln in ihrer Basizität den Alkylaminen. Interessanterweise weist das heterocyclische Amin mit einem Stickstoffatom als Teil eines aromatischen Rings eine viel geringere Basizität auf als sein entsprechendes alicyclisches Gegenstück. Aus diesem Grund ist Piperidin (pK_b = 2,8) deutlich basischer als Pyridin (pK_b = 8,8), wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Der Vergleich der Basizität von Piperidin und Pyridin.

Dieser Basizitätsunterschied kann auf den Hybridisierungszustand von Orbitalen zurückgeführt werden, die ein freies Elektronenpaar am N-Atom enthalten, wie in Abbildung 2 dargestellt. Im Fall von Piperidin befindet sich das freie Elektronenpaar in einem sp^3-hybridisierten Orbital mit niedrigeren s Charakter, wodurch das freie Elektronenpaar besser für die Entfaltung einer Basizität gegenüber Säuren verfügbar wird. Im Gegensatz dazu befindet sich in Piperidin das freie Elektronenpaar in einem sp^2-hybridisierten Orbital mit einem viel höheren s-Charakter. Folglich ist das freie Elektronenpaar fester an den Arylring gebunden und weniger für die Entfaltung einer Basizität gegenüber Säuren verfügbar.

Abbildung 2. Die Auswirkung der hybridisierten Orbitale auf die Basizität.

Pyrrol ist viel weniger basisch als Pyridin und hat einen pK_b-Wert von 15. Das in Abbildung 3 gezeigte freie Elektronenpaar am N-Atom befindet sich in einem reinen p-Orbital und ist perfekt auf die p-Orbitale der C-Atome ausgerichtet, die zur Aromatizität des Rings beitragen. Daher wird das freie Elektronenpaar am N-Atom von Pyrrol durch Resonanz im gesamten Ring delokalisiert. Umgekehrt ist das freie Elektronenpaar am N-Atom von Pyridin, das sich in einem sp^2-hybridisierten Orbital befindet, senkrecht zu den anderen sp^2-Orbitalen der an der Resonanz beteiligten C-Atome ausgerichtet. Daher ist das freie Elektronenpaar am N-Atom von Pyridin viel besser verfügbar als das von Pyrrol, was zu einer höheren Basizität von Pyridin führt.

Abbildung 3. Die Lewis-Struktur von Pyrrol.

Imidazol enthält zwei N-Atome in einem fünfgliedrigen Ring und ist ein lebenswichtiger Heterocyclus, der in vielen Proteinen vorkommt. Dieses heterozyklische Amin mit einem pK_b-Wert von 7 ist um den Faktor 100 basischer als Pyridin. Das N-Atom, das dem von Pyrrol ähnelt, ist nicht basisch. Das andere N-Atom ist basisch und abstrahiert H von der Säure, wodurch ihre konjugierte Säure entsteht, die durch die Resonanz stabilisiert wird, wie in Abbildung 4 dargestellt. Diese Resonanzstabilisierung der konjugierten Base führt zu einer erhöhten Basizität von Imidazol im Vergleich zu Pyridin.

Abbildung 4. Die Resonanzstabilisierung in Imidazoliumionen.

Die Basizität von Aminen bietet ein wertvolles praktisches Hilfsmittel zur Abtrennung von Aminen aus einer Mischung, die andere neutrale Verbindungen enthält. Dies wird erreicht, indem die unreine Mischung in Ether gelöst und in einem Scheidetrichter mit Wasser geschüttelt wird. Nachdem sich die beiden Schichten getrennt haben, werden durch das Ablassen der Wasserschicht das Salz und die meisten anorganischen Verunreinigungen entfernt. Wenn der organischen Schicht verdünnte wässrige Säure zugesetzt wird, werden die Amine selektiv in die entsprechende Säure protoniert und lösen sich in der wässrigen Schicht auf. Durch das Abtropfen der organischen Schicht werden die neutralen organischen Verunreinigungen entfernt. Eine langsame Basifizierung der wässrigen Schicht wird das freie Amin wieder regeneriert, welches anschließend mit einem neuen Volumen Ether extrahiert werden kann. Die anschließende Verdampfung des Ethers ergibt ein reines Amin.