Piridin

Egy másik szintetikus út a folyékony fázisú nitril és acetilén reakciója a kobalt katalizátorral, és körülbelül 50% piridin hozamot enged meg. A reakció hőmérséklete 120  ° C és 180  ° C között van 0,8 és 2,5 MPa közötti nyomáson . Ezt a szintetikus utat azonban orto-szubsztituált piridinek szelektív előállítására használják. Így acetonitril és az acetilén reagálnak jelenlétében cobaltocene így 2-metil-piridin , a hozam 76%. Az akrilnitrilt acetilénnel reagáltatjuk (ciklopentadienil) -kobalt- 1,5-ciklooktadién jelenlétében , így kapjuk a 2-vinil-piridint 93% -os hozammal.  

Laboratóriumi szintézis

A Hantzsch-szintézis egy másik klasszikus módszer a piridin-származékok előállítására. Két ekvivalens 1-3-3-dikarbonil-vegyületet (itt etil-acetoacetátot ) egy ekvivalens ammóniával és egy ekvivalens aldehiddel , például formaldehiddel reagáltatva szubsztituált dihidropiridint kapunk (csak két párhuzamos kapcsolatot tartalmazó gyűrű ). A működés során a enyhe oxidálószer ezen dihidropiridin lehetővé teszi, hogy kapjunk szubsztituált piridin. A szintézist 25  ° C-on hajtják végre, és több napig tart. A kapott piridineket szimmetrikusan helyettesítjük.

Az aszimmetrikus piridin előállításának egyik módja az, ha a 3-aminoenont 1,3-dikarbonil-vegyülettel reagáltatjuk. A 3-aminoenon megtámadja az 1,3-dikarbonil-vegyület egyik karbonil- funkcióját , majd imint kap, amely a másik karbonilcsoporttal reagálva ciklizálja a molekulát . A reakció során két vízmolekulát eltávolítunk. A piridint 1,5-dikarbonil-vegyületből ammóniával is szintetizálhatjuk, így piridinné könnyen oxidálható dihidropiridint állíthatunk elő.

Fizikai-kémiai tulajdonságok

A piridin folyadék normál nyomás és hőmérséklet mellett . A piridin vízzel és a leggyakoribb szerves oldószerekkel elegyedik . Piridint egy molekula a polaritás átlagos, kevésbé poláris, mint a víz és az alkoholok , de polárosabb, mint a etil-acetát , a diklór-metán , a petroléter és alkánok . A NMR a proton , a piridint három csúcsok: 8,5  ppm a hidrogének alfa a nitrogén , 7,6  ppm a hidrogénjei y és 7,2  ppm a β. A NMR a szén , piridin még mindig folyik a három csúcs: 150  ppm a szénatomok 1 és 5, 139  ppm szén-3 és 123  ppm a szénatomot 2. és 4. infravörös spektroszkópia , piridint egy csík abszorpciós 3000 körül  cm -1 a CH 2 sp 2 szénatom . A szagérzékelési küszöb 0,02  ppm (levegőben). A törésmutató 1,510. A dielektromos állandó át 25  ° C-on 12,4.

Aromásság

A piridin egy aromás vegyület, amely megfelel Hückel szabályának . A delokalizált elektronok a három kettős kötés vagy hat elektronéi . Mindegyik szén hozzájárul a pi-elektronok egyikéhez a delokalizációban, és a szintén hibridizált nitrogén sp 2 hozza a hatodik elektront. A piridin rezonancia energiája 117  kJ / mol , alacsonyabb, mint a benzolé, de magasabb, mint a tioféné , a pirrolé és a furáné .

Az összes szén-szén kötés azonos hosszúságú ( 139  µm ), a CC egyszeres kötés ( 154  µm ) és a C = C kettős kötés ( 134  µm ) hossza között helyezkedik el . A két szén-nitrogén kötés azonos hosszúságú ( 137  µm ), rövidebb, mint a CN egyszeres kötés ( 147  µm ), és hosszabb, mint a C = N kettős kötés ( 128  µm ). A piridin a nitrogénkötések geometriája miatt nem abszolút lapos vegyület . A nitrogénatomnak egy egyenlítői szabad elektron dublettje van, amely nincs delokalizálva az aromás π rendszerben . A szabad nitrogénpár egy sp 2 pályán van a molekula síkjában. A p pályán csak egy elektron fejezi be az elektronikus elrendezést úgy, hogy a gyűrű aromás legyen.

A nitrogén ezért nem hozza játékba donor mezomer jellegét , és csak az induktív vonzó jellege befolyásolja a π rendszer többi részét . A nitrogénatom ezért induktív és mezomer vonzerőt fejt ki a ciklusban . A nitrogén nem biztosít további elektronsűrűséget. Egy mezomer attractor hatást orientálja a delokalizációja elektronikus díjak és befolyásolja egy elektronikus töltést nitrogént a négy határoló formák piridint.

A piridin nitrogénatomja savakkal történő reakcióval protonálható és aromás kationt képez, amelyet piridinium-ionnak nevezünk . A piridinium-ionban delokalizált elektronok száma megegyezik a piridinéval, azaz hat elektron. Ennek a kationnak a pozitív töltését a teljes ciklus alatt a mezomer hatás stabilizálja . A piridiumion izoelektronikus a benzollal szemben, kivéve, hogy a nitrogén töltést hordoz. A pozitív töltés csökkenti a ciklus szénatomjának elektronsűrűségét , különösen azoknál a szénatomoknál, amelyek közel vannak a nitrogénhez . A nukleofilekkel való reakció könnyebb a piridiniummal, mint a piridinnel, de az elektrofilekkel való reakciókat éppen ellenkezőleg megnehezítik. A pozitív töltés delokalizációja a pirimidin gyűrűben stabilabbá és kevésbé reaktívvá teszi a kationt, mint egy stabilizálatlan kation.

A piridinmag reaktivitása

A reaktivitás különböző típusai

A piridin az a heterociklus, amelynek a reaktivitása a legközelebb van a benzol reakciójához . A nitrogénatom jelenléte a gyűrűben azonban torzítja az elektronok eloszlását a gyűrűben, és egy szabad dublett jelenléte a nitrogénatomon olyan helyet biztosít a protonálódáshoz és az alkilezéshez, amelynek nincs hatása, analógia a benzollal.

A piridin szerkezetéből háromféle reaktivitás várható:

• a tercier amin reakcióképessége : protonáció, alkilezés , acilezés , N- oxid képződése és koordináció Lewis-savakkal  ;
• a benzol reakcióképessége: elektrofil aromás szubsztitúciós reakció , ellenállás az addíciókkal és a gyűrűnyílásokkal szemben;
• konjugált imin vagy karbonil  : nukleofil támadás reakcióképessége α vagy γ-ban.

A szabad nitrogén dublett egy sp 2 pályán található , nem delokalizálódik, és a piridinnek bázikus tulajdonságokat ad . Ennek az a hatása, hogy a piridin és származékai kémiai tulajdonságait egészen másként adják, mint a benzolszármazékok. A nitrogén egy terhelési elektronikus részleges magas rovására a gyűrűszénatomok, amelyek az alacsonyabb elektronsűrűség. Következésképpen a piridin nehezebben reagál, mint a benzol, elektrofilekkel, de könnyebben reagál a nukleofilekkel . A nitrogén által kifejtett elektron-visszavonó karakter jelentősen elszegényíti az aromás magot .

A mezomer formák azt mutatják, hogy a piridin 2, 4 és 6 helyzete különösen kimerült az elektron sűrűségében, mivel ott a rezonancia formákkal együtt pozitív töltések jelenhetnek meg. Ezen túlmenően, a nitrogénatom vonzza az elektronokat a ciklusból, ezért nagyon inaktivált. Ennek eredményeként ez a vonzás, piridint egy dipólus momentum a 2.2  Debye , a negatív pólusa felé néző nitrogén .

Következésképpen az elektrofil aromás szubsztitúciók, például a nitrálás vagy a halogénezés , inkább a 3. helyzetben mennek végbe, de gyakran nehéz körülmények között, a gyűrű donorcsoportjainak hiányában ( aminok , éterek stb.). Hasonlóképpen, Friedel-Crafts alkilezései és acilezései önmagában a piridinben sem ismertek. Másrészt a nukleofil vegyületek jól reagálnak a ciklusra a kimerült 2, 4 vagy 6 helyzetben, kiegészítve vagy helyettesítve.

A piridin aromás jellege miatt stabil imin . Az iminek általában instabil reakcióközbensők.

A piridin-szubsztitúciók regioszelektivitása

A nitrogén egy nagyon elektronegatív atom, amely erősen hajlamos vonzani az elektronokat . A negatív töltésű nitrogén tehát stabilabb, mint a pozitív töltésű nitrogén. A helyettesítés helye a reakcióközbensőség stabilitásától függ. A szubsztitúció közbenső termékeinek mezomer formáinak megírása azt mutatja, hogy egy aromás elektrofil szubsztitúció előnyösen a 3. helyzetben megy végbe, mivel a nitrogén pozitív töltésének jelenléte nagyon kedvezőtlen, míg egy nukleofil szubsztitúció inkább a 2., 4. és 6, mert a nitrogén negatív töltésének jelenléte nagyon kedvező.

A mezomer formák megírása lehetővé teszi a piridin pozitív részleges töltéseinek a 2., 4. és 6. helyzetben történő elhelyezését.

Aromás elektrofil szubsztitúció

Az elektrofil aromás szubsztitúciót nehéz végrehajtani, mivel a piridin kevésbé reaktív, mint a benzol, és a piridiniumion sokkal kevésbé reagál, mint a piridin az elektrofil szubsztitúciókra. Ha elektrofil szubsztitúciós reakció megy végbe, akkor az a piridin 3. és 5. pozíciójában megy végbe, amelyek a legelektronokban leggazdagabbak . A kinetikus termék piridin, amelyet a dubletten az elektrofil komplex képez . A szubsztitúciós reakció bonyolult, mert a piridinium-són vagy a jelen lévő, nem protonált piridin kis mennyiségén kell végbemenni, amely nem komplexálódik az elektrofillel . Az elektrondonor szubsztituensek jelenléte növeli a reakció könnyebbségét. Azonban a piridin- N- oxidon való áthaladás előnyösebb az elektrofil szubsztitúciós reakciók végrehajtásához, és jobb hozamok elérését teszi lehetővé.

Az elektrofil aromás szubsztitúciók, például a Friedel-Crafts alkilezés vagy a Friedel-Crafts acilezés klasszikus reakciói egyszerűen nem mennek végbe. Valójában az ezeket katalizáló Lewis-savak koordinálják a nitrogént, hogy még jobban visszavonják az elektronokat, és a Friedel-Crafts reakciók a nitrogénen, és nem a piridin szénatomján játszódnak le. Az is lehetséges, így alkilezzük, vagy aciiát nitrogénatomon sav vagy alkil-halogenid nélkül Lewis-sav , és anélkül, hogy más nukleofilekkel a reakcióközegben . A Mannich-reakció csak akkor fordul elő piridineknél, ha azokat elektron donorcsoportok helyettesítik.

A piridin nitrálása nehéz és erős körülményeket igényel. A 370  ° C-on , piridin reakcióba lép a salétromsavval jelenlétében tömény kénsav vezet 2-nitro-piridint (94%) és a 3-nitro-piridint (6%). A metilcsoportok jelenléte a piridinben elősegíti a nitrálást, de ezek a csoportok részben karbonsavvá oxidálódnak . Ezek a csoportok dekarboxilezéssel eltávolíthatók . Így a lutidin és a kollidin lehetővé teszi a 3-nitropiridin kinyerését nitrálás és dekarboxilezés után . Hasonlóképpen, hidroxid vagy amincsoport jelenléte a piridinben elősegíti a nitrálást . A 4-amino-piridint aminfunkcióvá nitráljuk, majd átrendezéssel 4-amino-3-hidroxi -piridinné alakítjuk . A 2-hidroxi-piridint a 4-es helyzetben nitrálják. A 4-nitropiridin előállításának másik módja az, ha kénsav és salétromsav jelenlétében 85% -os hozamú piridin- N- oxidot alkalmazunk .

A 320  ° C-on , a szulfonálás az oleum eredményeket 3-szulfonsav kis mennyiségben. A 360  ° C-on a termék képződött 4-szulfonsav. A reakció alacsonyabb hőmérsékleten, 220  ° C körüli katalizátorral , higany-szulfát jelenlétében mehet végbe . A piridin halogénnel reagálva kristályosodott vagy tetraklór-metánban oldódó vegyületeket kap .

Nukleofil aromás szubsztitúció

Általában a nukleofil reagensek helyettesítést hajtanak végre: először a 2. és 6., majd a 4. helyzetben (bár egyes reagensek fordítva). Egy nukleofil piridin elleni támadását hidrid veszteség követi . A reakció ezért nem termodinamikai szempontból előnyben részesített, mivel a hidrid nagyon rossz kilépő csoport, és a hidrid távozása erőteljes kísérleti körülményeket igényel. Másrészt, ha a reakció halogénezett piridinen megy végbe, a reakció könnyebb, mert a halogenidion jó távozó csoport. A 2-halopiridinek nagyon jó szubsztrátok a nukleofil szubsztitúciós reakciókhoz . A 4-halopiridinek valamivel kevésbé jó szubsztrátok. A 3-halopiridinek nem túl reaktívak.

A Chichibabin reakció egy nukleofil szubsztitúciós reakció, ahol a hidridet egy amidcsoport helyettesíti . A nátrium- , bárium- vagy kálium- amid piridinre gyakorolt ​​hatása 2-amino-piridint eredményez. A reakció történhet szárazon, de általában forrásban lévő aromás oldószerekben hajtjuk végre . A piridin 2. vagy 6. pozíciójában lévő hidroxil- , szulfát- vagy amidcsoportok szintén helyettesíthetők ebben a reakcióban. Ebben a reakcióban a 3-alkil-piridinek a 2. helyzetben amincsoporttal vannak helyettesítve, míg a 2-es és 4-alkil-piridinek nehezen reagálnak, mert az amid hajlamos egy protont elszakítani az alkil- láncból, és olyan karbaniont képez, amely kevésbé reagál a nukleofilekkel. .

A piridin nátrium-hidroxid jelenlétében nukleofil támadáson megy keresztül a hidroxidiontól, és 2-hidroxi-1,2-dihidropiridint képez, amelyet alacsony hozammal 2-piridonná oxidálnak. A hidroxidion az amidionnal azonos nukleofil szubsztitúciót hajt végre, de erőteljesebb körülmények között.

A reakciót a piridineket alkil-lítium vagy aril-lítium-sók vezet lítium , amelyek néha izolálhatjuk, de amely általában elveszti a hidrid a lítium , hogy oxidálható az oxigént és így helyettesített piridinek. Ugyanaz a reakció lehetséges a szerves magnéziummal , de nehezebb.

Oxidáció és redukció

A leggyakrabban használt oldószer oxidációk a szerves kémia piridin. A piridint nehéz oxidálni, és ellenáll az bázikus közegben zajló oxidációs reakciók kísérleti körülményeinek . Azonban oxidáljuk kálium-permanganát jelenlétében hamuzsír (a 100  ° C-on ) felszabadító szén-dioxid , mint például a benzol . A piridint az ózon is oxidálja . Az ózonolízis három kettős kötést érint. Ha a piridint alkilcsoportok helyettesítik , akkor ezek a csoportok is oxidálódnak.

Piridin kezeljük peroxikarbonsavak (leggyakrabban meta-klór-perbenzoesavat ), vagy hidrogén-peroxidot in ecetsavban át 100  ° C-on lehet oxidálva N -piridin-oxid. A foszfor-triklorid vagy trifenil-foszfin N- piridin-oxidokra gyakorolt ​​hatása lehetővé teszi a megfelelő piridinekhez való visszatérést. A használata enyhe katalitikus hidrogénezés lehet használni, hogy kapcsoló a piridinek N -oxid-egyszerű piridinek. A piridin- N- oxidot számos reakcióban alkalmazzák, mivel a nukleofil szubsztitúciókkal szemben a piridinekhez képest jobban reagálnak .

Piridint könnyen csökkenthető lítium tetrahydruroaluminate LiAIH 4 formává dihidropiridin majd tetrahidropiridint és végül piperidin . A piridin ezért könnyebben redukálódik, mint a benzol . A piridin katalitikus hidrogénezése 25  ° C-on , gyengén savas közegben platinával, vagy gyengén lúgos, nikkel-amalgámmal szintén piperidint eredményez . A nátrium-bór-hidrid nincs hatással a piridinre. Ez a reagens azonban redukálja a piridium sókat és a piridint egy elektron kivonó csoporttal. A nyír ( ammóniában oldott nátrium) redukciója lehetővé teszi a piridin redukcióját . A közbenső anion gyök lehet dimerizálódnak de a jelenléte egy proton- forrás , mint például etanolban teszi lehetséges 1,4 dihidropiridin.

Alapvető tulajdonságok és reakció nitrogénnel

Mivel a nitrogén- dublett nincs delokalizálva, alapvető tulajdonságokat kölcsönöz a piridinnek. Piridint egy gyenge bázis (a piridinium-ion van egy p K a 5,23). Ez a gyenge alaposság ellentmond annak a ténynek, hogy a dublett könnyen elérhetőnek tűnik egy proton megragadásához . A magyarázat a nitrogén hibridizációjából származik . Egy SP 3 hibridizált vegyületet egy gyengébb induktív vonzza hatása , mint a sp 2 hibridizált nitrogén . A dublett ezért jobban kötődik a nitrogénhez, ami nem segíti elő protonálódását és csökkenti az alaposságát. A nitrogén lúgossága ugyanazokat a reakciókat teszi lehetővé, mint a tercier aminok esetében .

A piridinium-sók sokkal reaktívabbak a nukleofil reagensekkel szemben, különösen orto- vagy para-helyzetben. Ezeket a kiegészítéseket néha a ciklus megnyitása követi. A alkilpiridin sók jelenlétében ezüst-hidroxid, így a megfelelő hidroxidok és melegítésével a β helyzetben elveszíthetik a víz molekulát . Az N- acilezett piridinium-só nátrium-bór-hidriddel történő redukciója 1,2 és 1,4 dihidropiridint eredményez.

A savas , szervetlen és szerves erős formában sók stabilak piridin protonsav a nitrogén ( hidroklorid és szulfát- piridinium-). Ezek a sók nagyon jól oldódnak vízben és nagyon higroszkóposak . A donor induktív csoport jelenléte megkönnyíti a sóképződést azáltal, hogy stabilizálja a pozitív töltést a donor induktív hatása révén. A Lewis-savakat a piridin gátolja, mert a nitrogén- dublett megtámadja őket .

Az aktivált alkil-vagy aril-halogenidek képeznek piridinnel sói N -alkylpyridinium vagy N -arylpyridinium. Ezt a reakciót használják elvégzéséhez dehidrohalogénezési reakciókat vezető alkének . Az akrilnitril és az akrilátok Michael reakciójában piridinium-sókat kapnak.

Az acil-kloridok 0  ° C-on könnyen reagálnak a piridinnel, így 1-acil-piriridinium-kloridot kapnak. Az arilszulfonsav-kloridok ugyanígy reagálnak. A savanhidridek szintén komplexeket képeznek.

A piridinben jelen lévő szubsztituensek befolyásolják a mag alapvető tulajdonságait. A donor mezomer hatású csoport a 4. helyzetben növeli az alaposságot a kation stabilizálásával és a pozitív töltés áthelyezésével . Az alaposság csökken, ha mezomer vonzó hatású csoportok vannak a cikluson.

Az oldalláncok reakciója

A 2. vagy 4. helyzetben metil- , amin- vagy hidroxilcsoportot hordozó piridinek erős bázisok jelenlétében anionokhoz vezetnek, amelyeket a mezomerizmus stabilizál . A hidrogénatomjainak Ezen csoportok könnyebben sztrippeljük és az értékeket a p K egy , ezért alacsonyabb ezen vegyületek. Amikor a szubsztituens a 3-helyzetben, stabilizálás mesomerism kevésbé nyilvánvaló, és így a p értéke K egy magasabb.

használat

A piridint gyakran reagensként vagy katalizátorként használják kondenzációs , dehalogénezési, halogénezési vagy acilezési reakciók szerves szintézisében, valamint a gyógyszerek , ételízesítők rovarölő szerek , herbicidek stb. Gyártásában használt köztitermékek szintézisének előfutáraként . , festékek , ragasztók, festékek, robbanóanyagok és fertőtlenítők. Piridint használjuk azután prekurzorként nukleofil szubsztitúciós reakciók és ritkábban elektrofil szubsztitúció vagy más alkilezési reakciókat a nitrogén . Piridint is használják, hogy denaturáljuk az alkohol , fagyásgátlókat és fungicidek , és úgy is, mint adjuvánsként textil színezékek .

A piridint általában poláros bázikus oldószerként használják, és lehetővé teszi a sav képződésének semlegesítését bizonyos reakciók során. A piridint gyakran bázikus, aprotikus poláros oldószerként használják, vagy egyszerűen hozzáadják a reakcióközeghez az ezekből a reakciókból származó savak semlegesítésére . A magas forráspont azonban néha megnehezíti a piridin eltávolítását, és más alacsony forráspontú szerves oldószereket használnak.

D5 deuterált piridin, ahol a hidrogénatomok a piridin váltotta atomok a deutérium lehet használni, mint oldószerben a spektroszkópiával NMR .

A piridin és származékai felhasználhatók bizonyos acilezési vagy észterezési reakciók aktiválására .

• A 4-dimetil-amino-piridint (DMAP) használják az anhidrid aktiválására acilezési reakciókban . A köztitermék egy 1-acil-piridium-só, amely egy primer vagy szekunder aminnal reagálva amidot képez .
• A 4- (1-pirrolidinil) -piridin (PPY) lehetővé teszi egy észterezési reakció aktiválását egy karbonsav és bizonyos alkoholok között DCC ( diciklohexil-karbodiimid ) jelenlétében . A PPY reagál a sav és a DCC reakciójában képződő köztitermékkel, amely ugyanúgy viselkedik, mint egy savanhidrid .

Piridint alkalmazunk ligandumként a koordinációs kémiában (ebben az összefüggésben azt rövidítve „py”), mert van egy nagy képessége, hogy komplexeket képeznek sok kationok az átmeneti fémek . A piridin meglehetősen puha ligandum a HSAB elméletében . A komplexekben nitrogén-fém kötés jön létre. Ezek a komplexek felhasználhatók szelektív elemzésekhez .

A piridin- komplexek egy részét primer vagy szekunder alkoholok oxidálására használják .

• A Collins- vagy Sarret- reagens egy ekvivalens krómsavból és két ekvivalens piridinből áll. Hevítéssel állítják elő, és kristályos formájukban különböznek egymástól.
• A Conforth reagense egy ekvivalens króm-trioxidból és két ekvivalens piridinből áll vízzel keverve
• A PDC piridinium-dikromát egy dikromát- ekvivalens két ekvivalens piridint és sósavat tartalmaz
• A piridinium-klór-kromát CPC egy ekvivalens króm-trioxidból , ekvivalens sósavból és piridinből áll.

Piridint együtt barbitursav általánosan használják a kolorimetriás kimutatására a cianidok a vizes oldatban . Cianid-kloriddal reagál (amelyet a cianidion és a kloramin-T reakciója képez), konjugátumot alkotva két barbitursavmolekulával, amelyek együtt piros színnel rendelkeznek. A színezés intenzitása egyenesen arányos a cianid koncentrációjával.

Biztonság

Egészségügyi óvintézkedések

A piridin belélegezve, a bőrrel érintkezve és lenyelve ártalmas . A traktus gyomor-bélrendszere , a bőr és a tüdő felszívja . Az emésztőrendszeri problémák, amelyek egyidejűleg jelentkezhetnek: hányinger , hányás , étvágytalanság vagy akár hasmenés . A belégzés , piridin gőzök irritálja a okuláris, nazális és légúti nyálkahártyákat. A piridin hatásának szokásos tünetei: fejfájás, köhögés , asztmás szerű légzés, gégegyulladás , hányinger és hányás . A piridin bőrrel való érintkezéssel vagy permetezéssel irritálja a bőrt és a nyálkahártyákat , sőt égési sérüléseket okoz . A piridin felelős az ekcéma- szerű bőrszenzibilizáció néhány esetéért . Szemmel a piridin súlyos elváltozásokat vált ki a szaruhártya homályosodásával és a kötőhártya hegesedésével . A piridin által érintett két fő szerv a gyomor-bél traktus és a központi idegrendszer . A felszívott mennyiségtől függetlenül a legtöbb probléma neurológiai: fejfájás , szédülés , aszténia , idegesség, zavartság . A piridin minden vizsgált faj esetében ugyanúgy metabolizálódik, és változatlan formában vagy a vizelettel metabolizálódik . A piridin nem mutagén.