Inversione dell’azoto: ammoniaca, ammine

L’inversione dell’azoto detta anche inversione piramidale si verifica in molecole piramidali come ammoniaca e ammine
Nell’ammoniaca così come nelle ammine primarie, secondarie e terziarie l’atomo di azoto è ibridato sp³ e presenta un doppietto elettronico solitario in uno di questi 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°. Esso si presenta nei composti in cui tutti e quattro i vertici sono occupati da gruppi R come nel caso di CCl₄.

Nel caso che il composto contenga un atomo di carbonio chirale come, ad esempio l’1-metil, 1-propanolo  la molecola è otticamente attiva e sono presenti due enantiomeri.

Inversione piramidale

La conversione da una forma enantiomerica all’altra è detta inversione piramidale. Essa, in genere, avviene lentamente a temperatura ambiente. In genere i centri chirali sono costituiti da atomi di carbonio, ma vi sono altri atomi che possono essere centri chirali come ad esempio il silicio.

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. Nel 1934 si rilevò che l’atomo di azoto di un’ammina dà luogo a un’inversione.

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, come nel caso dell’ammoniaca 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.

Pertanto 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.