Caratteristiche generali
Il pirrolo è un composto eterociclico aromatico a cinque termini di formula C4H5N. E' una specie "elettron ricca", dato che presenta 6 elettroni condivisi su 5 orbitali p (6 elettroni π su 5 atomi). Ogni carbonio fornisce un singolo elettrone π (quindi 4 in totale), mentre l'azoto ne fornisce 2. Dato che l'azoto impegna questi due elettroni (un lone pair) nell'aromaticità della molecola, non può accettare protoni. Ne consegue che non è una specie basica. A differenza della piridina poi, non può essere trasformato in un N-ossido.
La presenza dell'atomo di azoto (molto più elettronegativo di C) fa sì che gran parte della densità elettronica sia localizzata su di esso.
N.B: sugli atomi di carbonio c'è comunque una parziale carica negativa. Questo grazie alla delocalizzazione.
Comportamento acido-base
Il comportamento acido - base del pirrolo è da studiare con attenzione, dato che può dirci qualcosa anche sulla sua reattività.
→ come base
Il pirrolo non è sicuramente una specie basica; accettare un protone comporta l'impiego di un doppietto elettronico coinvolto nell'aromaticità della molecola. La perdita dell'aromaticità risulta in uno stato di transizione ad energia troppo elevata. A pH estremamente acidi (sotto 0) è comunque possibile costringere il pirrolo ad accettare un protone. Ma dove è più probabile che si attacchi (H+)?
Qual è il "tautomero" più stabile?
Nel riquadro in blu, è mostrata la forma tautomerica più stabile, ovvero quella con maggiore possibilità di delocalizzazione della carica positiva.
→ come acido
Possiamo considerare il pirrolo piuttosto una molecola acida, sebbene non secondo la definizione di Arrhenius, ma comparandola piuttosto con altre specie organiche. Generalmente, le specie acide sono tali quando l'anione che risulta dalla loro dissociazione è stabilizzato. In questo caso infatti la carica negativa infatti può essere delocalizzata con successo sull'anello (vedi formule di risonanza)
N.B: la molecola non perde mai l'aromaticità perché all'interno del ciclo rimangono sempre 6 elettroni π. La delocalizzazione della carica negativa interessa gli orbitali p degli atomi di carbonio.
Come esempio di base idonea a deprotonare il pirrolo è riportato un idruro perché tradizionalmente molto usato a questo scopo.
Reattività
Vediamo a piccoli gruppi le reazioni più comuni che coinvolgono il pirrolo.
- Sostituzione elettrofila aromatica
Abbiamo detto fin dall' inizio che il pirrolo è una specie elettron - ricca. In un certo senso quindi l'eterociclo si può comportare da nucleofilo. Questo significa ovviamente che è molto reattivo nei confronti di specie elettrofile.
Nello schema, ci sono 3 reazioni molto comuni. Innanzitutto, dato che il pirrolo è una specie elettron - ricca in alcuni casi può reagire con specie anche debolmente elettrofile. E' il caso, ad esempio, della reazione con il bromo molecolare (Br2). Per attaccare un atomo di bromo sul benzene sarebbe stato necessario, ad esempio, attivare il bromo con un acido di Lewis (vedi alogenazione del benzene). Le altre due reazioni sono rispettivamente un' acilazione ed un' alchilazione di Friedel - Kraft.
Come mostrato nell'esempio di alchilazione di Friedel - Kraft, è molto probabile che il pirrolo reagisca con più di una molecola di elettrofilo. Anche perché il gruppo alchilico è di per sé un attivante. Leggermente più difficile la stessa cosa nel caso dell'acilazione, dato che il gruppo che entra è in questo caso un disattivante ("toglie" densità elettronica dall'anello). Vedremo tra poco però, che anche in questo caso si può inserire un altro elettrofilo senza particolari difficoltà.
Un' altra domanda che è naturale porsi è la seguente: in che posizione si attacca l'elettrofilo? Se guardiamo la mappa di densità elettronica del pirrolo ci accorgiamo che questa non differisce molto da carbonio a carbonio.
Il comportamento del pirrolo come base (vedi sopra) rappresenta un ottimo esempio per capire questo tipo di reattività. La specie elettrofila è H+ : dato che la reazione di sostituzione passa attraverso un intermedio carbocationico, l'elettrofilo entrerà nella posizione che corrisponde al carbocatione più stabilizzato. Nel caso del pirrolo sono le posizioni -2 e -5 ( la molecola è simmetrica) che rendono possibile la migliore delocalizzazione della carica positiva.
Dall'esempio in figura si osserva di nuovo come le posizioni di ingresso dell'elettrofilo siano preferenzialmente -2 e -5; se queste posizioni sono già occupate però, l'elettrofilo si porta comunque facilmente in posizione -3 o -4.
La situazione è diversa quando al pirrolo è attaccato un gruppo disattivante, come un gruppo acilico:
Nel caso specifico le formule di risonanza mostrano come la densità elettronica venga "drenata" in particolare dalle posizioni -3 e -5. Queste lacune di densità elettronica non favoriscono l'ingresso di un elettrofilo, che quindi entrerà nella posizione non interessata dalla delocalizzazione della carica positiva, in questo caso posizione -4:
- reattività in ambiente acido
Sul pirrolo non è possibile praticare la sostituzione nucleofila aromatica: 1) è già di per sé una specie elettron - ricca 2) se proviamo ad esaltarne la reattività in ambiente acido l'unico risultato che riusciamo ad ottenere è la sua polimerizzazione.
Come già anticipato, il pirrolo non è sicuramente una specie basica. Se ci portiamo a pH estremamente acido (circa -4) però, possiamo ottenere la specie protonata (ad altissima energia) per un tempo sufficientemente lungo affinché reagisca con un altra molecola di pirrolo.
Il risultato è un polimero chiamato "polipirrolo" o "pirrolo nero", che ha le caratteristiche di un semiconduttore (conduce corrente elettrica in una sola direzione).
→ reattività in ambiente basico
Il pirrolo è decisamente più acido di una corrispondente ammina secondaria. Abbiamo visto infatti come può delocalizzare la carica negativa sull'anello senza perdere l'aromaticità. E' quindi relativamente facile generare un anione all'azoto; questi può reagire da nucleofilo su vari substrati. Ad esempio:
Quando l'azoto non può essere deprotonato perché già sostituito, il trattamento con una base forte andrà a deprotonare uno dei 4 atomi di carbonio dell'eterociclo. I carboni che più facilmente vengono deprotonati sono quelli adiacenti all'atomo di azoto. Il legame con l'azoto positiva (δ+) i suddetti carboni, che così diventano più disponibili a prendere gli elettroni di legame con H per "riequilibrare" la loro situazione elettronica.
Reattività Hard - Soft
Nonostante il protone legato all'atomo di azoto sia quello più acido, la natura della base che usiamo (hard - soft) si riflette sul comportamento hard - soft dell'anione. Se usiamo una base come un composto di organo litio, l'anione generato sul pirrolo reagisce all'azoto (reazione a controllo elettrostatico), mentre se usiamo una base più debole, come un Grignard, l'anione generato reagisce al carbonio (reazione a controllo orbitalico).
