Alchilazione delle ammine: meccanismo

L’alchilazione delle ammine è una reazione che avviene tra ammoniaca o ammine primarie o secondarie con un alogenuro alchilico per ottenere un’ammina maggiormente sostituita.

L’alchilazione delle ammine con formazione di legami carbonio-azoto rappresenta un passo fondamentale per la sintesi di una vasta gamma di composti, ampiamente applicati nell’industria chimica.

Data l’importanza di questi prodotti, sono disponibili numerosi metodi per l’alchilazione delle ammine la maggior parte dei quali richiedono catalizzatori basati su complessi di metalli nobili. Sebbene questi metodi abbiano dimostrato la loro efficacia in numerosi esempi, spesso danno prodotti collaterali

Meccanismo di alchilazione delle ammine

L’ammoniaca e le ammine, grazie alla presenza del doppietto elettronico solitario presente sull’azoto, agiscono da nucleofili nei confronti degli alogenuri alchilici dando luogo a una reazione di sostituzione nucleofila che avviene via SN2.

reazione
reazione

Il carbonio legato all’alogeno che è un buon gruppo uscente ha una parziale carica positiva ed è attaccato del nucleofilo con formazione, nello stato di transizione, di un intermedio in cui inizia a rompersi il legame tra il carbonio l’alogeno e inizia a formarsi il legame tra l’azoto e il carbonio.

Ad esempio l’etilammina reagisce con il bromometano per dare un’ammina secondaria. Nel primo stadio si ottiene un sale di ammonio quaternario:
CH3CH2NH2 + CH3Br → (CH3CH2NH2CH3)+ Br

Nel secondo stadio avviene una reazione acido-base in cui la base costituita in questo caso da un eccesso di ammina deprotona l’azoto. Si ottiene così l’etilmetilammina CH3CH2NHCH3 che è un’ammina secondaria.

Resa della reazione

La reazione, pur procedendo rapidamente e in condizioni blande presenta una bassa resa del prodotto desiderato.

Ad esempio l’etilmetilammina ottenuta presenta due gruppi alchilici elettrondonatori che conferiscono all’azoto una maggior capacità nucleofila. Pertanto l’etilmetilammina attacca il bromometano per dar luogo alla formazione di etlidimetilammina che è un’ammina CH3CH2N(CH3)2 terziaria.

La reazione è quindi scarsamente selettiva ed è necessaria la separazione dei prodotti della stessa.

Per questo motivo la reazione di alchilazione delle ammine, a livello industriale, viene condotta utilizzando, al posto degli alogenuri alchilici, gli alcoli che sono anche meno costosi degli alogenuri alchilici. Più specificatamente, in quest’ultimo processo una iniziale deidrogenazione (ossidazione) dell’alcol porta alla corrispondente aldeide, che successivamente subisce un’amminazione riduttiva per fornire l’ammina desiderata.

Sintesi verde

Nell’ambito della sintesi verde l’utilizzo degli alcoli al posto degli alogenuri alchilici costituisce una valida alternativa in quanto una varietà di alcoli sono facilmente disponibili da materie prime rinnovabili, rendendo questa metodologia particolarmente adatta per la valorizzazione della biomassa o degli elementi costitutivi derivati ​​dalla biomassa.

Rapporti pionieristici riguardanti la  N-alchilazione delle ammine da parte di alcoli in presenza di catalizzatori omogenei furono descritti all’inizio degli anni ’80. Dal 2000 sono stati fatti enormi progressi in questo campo utilizzando specifici complessi di metalli preziosi principalmente a base di rutenio. Chiaramente, in termini di sostenibilità, l’uso di metalli più ecologici, economici e ampiamente abbondanti per la sintesi delle ammine continua a essere un obiettivo di lunga data della ricerca chimica.

Complesso Kloelker
Complesso Kloelker

In questa ottica nel 2011 è stata segnalata la N -alchilazione delle ammine basata sulla combinazione di sali di ferro e amminoacidi. Successivamente è stato compiuto un passo avanti significativo nell’alchilazione delle ammine con alcoli utilizzando il complesso del ferro di Knölker.

Nonostante tutti questi progressi nell’utilizzo di complessi di metalli non nobili, lo sviluppo di catalizzatori più attivi e abbondanti nella terra, che funzionino a temperature più basse e mostrino una migliore portata del substrato, è ancora impegnativo soprattutto per quanto riguarda l’alchilazione selettiva delle ammine insature e le metilazioni

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