Inversione dell’azoto: meccanismo e applicazioni
L’inversione dell’azoto, nota anche come inversione piramidale, si verifica in molecole piramidali come ammoniaca e ammine. Nell’ammoniaca e nelle ammine primarie, secondarie e terziarie, l’atomo di azoto è ibridato sp3 e presenta un doppietto elettronico solitario in uno dei quattro orbitali.
La geometria molecolare di composti del tipo R3N (dove R può essere H o un gruppo alchilico) è tetraedrica. L’atomo di azoto si trova al centro del tetraedro in cui tre vertici sono occupati dai gruppi R e il quarto vertice è occupato dalla coppia elettronica di non legame.
Pertanto il tetraedro è deformato e gli angoli di legame sono di circa 108° rispetto a quello equilatero che ha angoli di legame di 109.5°.
La conversione da una forma enantiomerica all’altra è detta inversione piramidale. Essa, in genere, avviene lentamente a temperatura ambiente. Nel caso dell’ammoniaca avviene una rapida inversione dell’azoto, infatti la barriera energetica di inversione è molto bassa (24 kJ/mol) e avviene 100 volte al secondo.
Un’ammina in cui sono presenti tre gruppi diversi legati all’azoto non è sovrapponibile alla sua immagine speculare. Pertanto, esiste in due forme enantiomeriche, sebbene si interconvertono rapidamente al punto che non sono stati isolati gli enantiomeri. L’interconversione è paragonata all’inversione di un ombrello a causa del vento.
Nel corso dell’interconversione da una forma all’altra, l’azoto, nello stato di transizione, assume una ibridazione sp2. Se l’azoto è legato a tre gruppi diversi e impegna il suo doppietto elettronico solitario con un idrogeno dando luogo al catione, questo è otticamente attivo. Ad esempio, lo ione etil, metil, propil ammonio è chirale.
Gli ioni ammonio quaternari che hanno quattro sostituenti diversi sono chirali e possono essere stabili da un punto di vista configurazionale dando luogo a due enantiomeri.
