Pirazina: aromaticità, sintesi, reazioni, usi

La pirazina ovvero la 1,4-diazina è un composto eterociclico aromatico avente formula C₄N₂H₂ in cui gli atomi di azoto si trovano in posizione para. È un’ammina terziaria ed è una base più debole della piridina.

La pirazina, pur essendo aromatica, non mostra la reattività del benzene sebbene la sua energia di risonanza sia minore.

Essa appartiene alla classe delle diazine insieme alla piridazina ovvero 1,2-diazina e alla pirimidina ovvero 1,3-diazina. Questi composti si differenziano solo per la posizione reciproca dei due atomi di azoto e sono quindi isomeri.

Struttura e aromaticità della pirazina

A causa della struttura simmetrica della molecola il momento dipolare della pirazina è pari a zero.

Nella pirazina sia gli atomi di carbonio che di azoto sono ibridati sp²; due di questi orbitali ibridi si sovrappongono per formare legami σ tra due atomi di carbonio o tra un atomo di carbonio e un atomo di azoto. Il terzo orbitale ibrido di ogni carbonio forma un legame σ con l’idrogeno mentre il terzo orbitale sp² di ciascun azoto contiene un doppietto elettronico solitario.

Ciascun atomo ha un orbitale p contenente un elettrone perpendicolare al piano della molecola. La sovrapposizione di tali orbitali dà luogo alla formazione di 3 orbitali molecolari di tipo π delocalizzati.
A causa della presenza di due atomi di azoto la densità elettronica sugli atomi di carbonio presenti nella molecola è ridotta.

La pirazina è stabilizzata dalle seguenti strutture limite di risonanza in cui si una carica positiva nelle posizioni 2, 3, 5 e 6

È un composto monobasico che dà luogo alla protonazione di un atomo di azoto a causa della presenza del doppietto elettronico solitario in presenza di un acido.

Sintesi

Può essere ottenuta:

• Per reazione dell’1,2-etandiammina e ossirano.
• Dalla condensazione di due composti α-ammino carbossilici in ambiente basico seguita da un’ossidazione in presenza di Hg₂Cl₂

Reattività

Le reazioni di sostituzione elettrofila, a causa dell’effetto disattivante dei due atomi di azoto avvengono solo in condizioni drastiche. Tuttavia la presenza di un gruppo elettrondonatore in posizione 2 facilita la reazione che pertanto può avvenire in condizioni più blande.

Ad esempio mentre la bromurazione della pirazina deve essere fatta a caldo in presenza di HBr e Br₂ con ottenimento della 2-bromopirazina, la 2-amminopirazina in cui è presente il gruppo -NH₂ che è un elettrondonatore dà luogo alla formazione, in presenza di Br₂ alla 2-ammino, 3,5-dibromopirazina.

Le reazioni di sostituzione nucleofila possono avvenire solo se all’anello è legato un gruppo elettrondonatore come -NH₂, -OH, -SH.

Può dare reazioni di riduzione in presenza di sodio metallico e etanolo per dare la piperazina:
C₄N₂H₂ → C₄N₂H₆

La pirazina è stabile nei confronti di agenti ossidanti ma la presenza di un gruppo alchilico sul carbonio 2 porta alla formazione di un gruppo carbossilico.

Usi

Si trova nell’acido folico nell’anello pteridinico composto eterociclico aromatico derivante dalla fusione di un anello di pirimidina con uno di pirazina

I coloranti correlati alla pirazina mostrano una forte fluorescenza e rivestono interesse in vari campi di applicazione come emettitori per dispositivi di elettroluminescenza

L’unità strutturale della pirazina si trova in molti prodotti naturali. I derivati ​​della pirazina possono anche essere utilizzati come agenti aromatizzanti, agenti profumanti e coloranti. Esistono due importanti tipi di pirazine che vengono utilizzate principalmente nelle industrie delle fragranze aromatiche, in particolare alchil e alcossi pirazine.