Блог

Все, що вам потрібно знати про піридини

Все, що вам потрібно знати про піридини

Все, що вам потрібно знати Піридини

Піридин є основним гетероциклічний сполука азинного виду. Піридин одержують з бензолу шляхом заміни групи СН на N-атом. Структура піридину аналогічна структурі бензолу, оскільки вона пов'язана заміною групи СН на N. Основні відмінності включають:

  1. Відхід від ідеальної регулярної геометрії гестації за наявності гетероатома, якщо бути конкретним, коротші азотно-вуглецеві зв'язки,
  2. Заміна атома водню на площині кільця з нерозділеною електронною парою, як у площині кільця, розташована в гібридній орбіталі sp2 і не включеного в ароматичний п-електронний секстет. Цей азот одиничний пари той, який відповідає за основні властивості піридинів,
  3. Сильний постійний диполь простежується з вищою електронегативністю атома азоту в порівнянні з атомом вуглецю.

Піридиновий цикл спостерігається у кількох важливих сполуках, включаючи вітаміни ніацину, піридоксину, а також азини.

Шотландський хімік Томас Андерсон винайшов піридин у 1849 як одне з сполук, що складають кісткове масло. Через два роки Андерсон отримав чистий піридин фракційною перегонкою кісткового масла. Це дуже легкозаймиста, безбарвна, водорозчинна, слабо лужна рідина з неприємним відмітним, рибковим запахом.

Піридин завжди використовується як попередник фармацевтики та агрохімікатів, а також є важливим реагентом і розчинником. Піридин може бути доданий до етанолу, якщо ви хочете зробити його непридатним для споживання людиною. Це також застосовується при виробництві антигістамінних препаратів мпіраміну та трипленамінану, в пробірці синтез ДНК, у виробництві сульфапіридину (ліків для лікування вірусних інфекцій та бактеріальних інфекцій), а також бактерицидів, гербіцидів та водовідштовхувальних речовин.

Більшість хімічних сполук, навіть якщо вони не виробляються з піридину, містять кільцеву структуру. Такі з'єднання включають вітаміни групи В, такі як піридоксин та ніацин, нікотин, азотвмісні рослинні продукти та протитуберкульозний препарат, відомий як ізоніазид. Пиридин історично вироблявся як побічний продукт газифікації вугілля та з вугільної смоли. Тим не менш, зростаючий попит на піридин призвів до розробки економічних методів виробництва аміаку та ацетальдегіду, і більше 20,000 тонн виробляється на рік у всьому світі.

Номенклатура Росії піридину

Систематична назва піридину, згідно з номенклатурою Хантша-Шиндмана, запропонована IUPAC, є азин. Але систематичні назви основних сполук застосовуються рідко; Замість цього, номенклатура гетероциклів випливає з встановлених загальних назв. IUPAC не заохочує використання азин коли йдеться про піридину.

Нумерація атомів кільця в азині починається з азоту. Розподіл позицій грецьким алфавітом (α-γ) та шаблоном заміщення номенклатури, характерним для гомоароматичних систем (пара орто, мета,) іноді використовуються. Тут α, β та γ відносяться до двох, трьох та чотирьох положень відповідно.

Систематичне найменування похідних піридину є піридиніл, де число передує позиції заміщеного атона, перед яким передує число. Але історична назва піридил рекомендований IUPAC і широко використовується замість систематичної назви. Похідна, утворена шляхом додавання електрофільова атома азоту, відома як піридиній.

4-бромпіридин

2,2'-біпіридин

Дипіколінова кислота (піридин-2,6-дикарбонова кислота)

Основна форма катіону піридинію

Виробництво піридину

Піридин отримували як побічний продукт газифікації вугілля або екстрагували з вугільної смоли. Цей метод був неефективним та трудомістким: вугільна смола мала приблизно 0.1 відсотків піридину, і, отже, необхідна багатоетапна очистка, яка надалі знизила вихід. Сьогодні більшість піридина виробляють синтетично, використовуючи кілька реакцій імен, і найбільш часто зустрічаються тут.

Синтез піридину через Болманн-Рахц

Синтез піридину через Болманн-Рахтз дозволяє отримувати заміщені піридини на двох основних етапах. Конденсація енамінів з використанням етинілкетонів призводить до інтермедіату амінідієну, який після термічної індукованої ізомеризації проходить циклодегідрацію для одержання 2,3,6-тризаміщених піридинів.

Синтез піридину через механізм Болмана-Рахца

Механізм пов'язаний із популярним синтезом діагдипіридинових Ханчша, дена місці- породжені енамін і еноні - утворюють дигідропіридини. Хоча Синтез Болмана-Рахта дуже універсальний, очищення проміжних та неймовірно високих температур, необхідних для циклодегідратації, є проблемами, які обмежують його корисність. Більшість завдань були подолані, і синтез Болмана-Рахта було більш важливим в піридини покоління

Незважаючи на те, що ніяких механістичних досліджень не було зроблено, проміжні продукти можуть характеризуватися H-ЯМР. Це показує, що основним продуктом першого додавання Майкла та наступним передачею протонів може бути 2Z-4E-гептадієн-6-один, який екстрагують та очищають через колонкову хроматографію.

Тому необхідні неймовірно високі температури циклодегідрації, щоб полегшити Z/E ізомеризаціі, які є необхідною умовою гетероаналізації.

Останнім часом розроблено кілька способів, що дозволяють синтез тетра- та тризаміщених піридинів у одностадійному процесі. Замість того, щоб використовувати бутинон як субстрат, Баглі випробовував різні розчинники для перетворення менш летючого і недорогого 4- (триметилсиліл) але-3-yn-2-one. Показано, що тільки ДМСО та EtOH є ідеальними розчинниками. EtOH явно виступає як полярний і протонний розчинник проти ДМСО як полярний апротонний розчинник. У обох розчинниках протодезільільування відбувалося спонтанно. Баглі також показав, що кислотний каталіз дозволяє продовжити циклодегідрацію при більш низькій температурі.

Кислотний каталіз також підвищує додавання кон'югату. Широкий асортимент энаминов реагировали з этинилкетонами в суміші (5: 1) з оцтовою кислотою і толуолом, щоб одержувати функціоналізовані піридини на одному етапі при відмінних дозах.

Після успіху кислотного каталізу Бренстедта хімік досліджував здатність кислотних каталізаторів Льюїса. Найкращі умови. Використовується або двадцять моль% трифлату іттербію або п'ятнадцять моль% бромиду цинку в кислі з нагріванням толуолу. Навіть незважаючи на те, що механістичні дослідження не були зроблені, можна припустити, що координація каталізатором прискорює циклодегідратацію, Майкл Додавання та етапи ізомеризації.

Недоліком є ​​обмежена сумісність із кислотно-чутливими підкладками. Наприклад, кислотно-каталітичне розкладання емалей відбувається з циано і трет-бутилестер як групи, що виводять електрони. Ще однією легкою альтернативою є застосування Amberlyst-15 іонообмінного реагенту, який переносить трет-бутилєри.

Оскільки емани не є легкодоступними, і для посилення об'єкта процесу, реакція 3-компонента була проведена з використанням ацетату амонію як джерела аміногрупи. У цій ефективній процедурі створюється енан на місці який реагує з присутнім алкиноном.

У першому дослідженні ZnBr2 і AcOH застосовували як додаткові каталізатори з толуолом у якості розчинника. Однак з того часу було продемонстровано, що кислотно-чутливі субстрати завжди реагують у м'якому середовищі з EtOH як розчинником.

Синтез Чичибабіна

Синсіз піридина Чичібабін був вперше зареєстрований в 1924 і досі є основним застосуванням в хімічній промисловості. Це кільцеутворююча реакція, яка включає реакцію конденсації альдегідів, кетонів, α, β-ненасичених карбонільних сполук. Більш того, загальна форма реакції може включати будь-яку комбінацію вказаних вище продуктів у чистому аміаку або його похідних.

Формування Піридин

Конденсація формальдегіду та ацетальдегіду

Формальдегід та ацетальдегід є в основному джерелами незаміщеного піридину. Принаймні, вони доступні та цілком доступні.

  1. Перший етап полягає у формуванні акролеїну з формальдегіду та ацетальдегіду через конденсацію Кёвенгагеля.
  2. Кінцевий продукт потім конденсується з акролеїну з ацетальдегіду та аміаком, утворюючи дигідропіридин.
  3. Остаточний процес являє собою реакцію окиснення з твердотільним каталізатором для одержання піридину.
  4. Вищезгадана реакція проводиться в газовій фазі з діапазоном температур 400-450 ° C. Сформована сполука складається з піридину, піколіну або простих метилових піридинів та лютидину. Проте композиція підлягає використанню каталізатора і в певній мірі залежить від вимог виробника. Як правило, каталізатор являє собою сіль перехідного металу. Найбільш поширеними є фторид марганцю (II) фтору або кадмію (II), хоча сполуки талію та кобальту можуть бути альтернативами.
  5. Піридин виділяється з побічних продуктів у багатоступеневому процесі. Основним обмеженням синтезу піридину Чичибабін є його низька врожайність, що переводить до приблизно 20% кінцевих продуктів. З цієї причини незмінені форми цієї сполуки менш поширені.

Циклізація Боннемана

Циклізація Боннемана полягає у утворенні тримера від комбінації двох частинок молекули ацетилену та частини нітрилу. Насправді процес є модифікацією синтезу Reppe.

Механізм полегшується будь-яким теплом від підвищених температур і тиску або за допомогою фотографічної індукованої циклоприєднання. Коли активовано світлом, циклізація Боннемана вимагає CoCp2 (циклопентадієніл, 1,5-циклооктадієн), щоб діяти як каталізатор.

Цей спосіб може утворювати ланцюг похідних піридину в залежності від використовуваних сполук. Наприклад, ацетонітрил дасть 2-метилпіридин, який може пройти деалкилювання для утворення піридину.

Інші методи

Синтез пірідін Kröhnke

Цей метод використовує піридин як реагент, хоча він не буде включений в кінцевий продукт. Навпаки, реакція отримає заміщені піридини.

При взаємодії з α-бромерестерами піридин пройде михоподібну реакцію з ненасиченими карбонілами, щоб утворити заміщений піридин та бромід піриду. Реакцію обробляють ацетатом амонію в межах 20-100 ° C у м'яких умовах.

Перебудова Симаа-Деннштедт

Це тягне за собою кільцеве розширення піролу з діхлоркокарбеном, що утворює 3-хлорпіридин.

Синтез Геттермана-Скіти

У цій реакції солі малонатової ефіри реагують з дихлорметиламін у присутності основи.

Синтез бігер піридину

Реакції піридини

Наступні реакції можуть бути передбачені для піридинів з їх електронної структури:

  1. Гетероатом робить піридини дуже нееактивними до нормальних електрофільних ароматичних реакцій заміщення. І навпаки, піридини чутливі до нуклеофільного нападу. Піридини проходять реакції електрофільного заміщення (SEAr) більш неохоче, але нуклеофільна заміна (SNAr) легше, ніж бензол.
  2. Електрофільні реактиви переважно нападають на Natom і на bC-атоми, тоді як нуклеофільні реагенти віддають перевагу а- та cC-атомам.

Електрофілове додавання в азоті

У реакціях, які включають утворення зв'язку, використовуючи одиночну пару електронів на кільцевому азоті, такі як протонування та кватернізація, піридини поводяться так само, як треті аліфатичні або ароматичні аміни.

Коли піридин реагує як основа або нуклеофіл, він утворює катіон піридинію, в якому ароматичний секстет зберігається, а азот отримує формальний позитивний заряд.

Протонація в азоті

Піридини утворюють кристалічні, часто гігроскопічні солі з найбільш протонними кислотами.

Нітрація в азоті

Це відбувається легко шляхом реакції піридинів з солями нітрону, такими як тетрафторборта нітроніту. Протетні нітруючі агенти, такі як азотна кислота, звичайно, ведуть виключно до N-протонування.

Ацилірованіе в азоті

Кислотні хлориди та арилсульфокислоти швидко реагують з піридинами, що утворюють розчини у вигляді розчину 1-ацил- та 1-арилсульфонілпіридинієвих солей.

Алкіл галогеніди та сульфати легко реагують з піридинами, що дають четвертинні піридиновимі солі.

Нуклеофільні заміни

На відміну від бензолу, численні нуклеофільні заміни можуть бути ефективно та ефективно підтримуватися піридином. Це пов'язано з тим, що кільце має трохи нижче електронної густини атомів вуглецю. Ці реакції включають заміни з видаленням іону гідриду та усунення доповнень для одержання проміжної конфігурації арюна і зазвичай продовжують положення 2- або 4.

Один піридин не може призвести до утворення декількох нуклеофільних замін. Проте модифікація піридину фрагментами брому, сульфонової кислоти, хлору та фтором може призвести до залишення групи. Формування сполук органолітію може бути відновлено з найкращої залишкової групи фтору. При високому тиску нуклеофільний може взаємодіяти з алкоксидами, тіолатами, амінами та аміачними сполуками.

Кілька гетероциклічний реакції можуть відбутися через використання поганої залишкової групи, такої як іон гідридів. Похідні піридину в положенні 2 можна отримати через реакцію Чічібабіна. 2-амінопіридин може продовжуватись досягатись, коли амид натрію використовується як нуклеофіл. Молекула водню утворюється, коли протони аміногрупи поєднуються з іоном гідриду.

Подібно до бензолу, піридини проміжні сполуки, такі як гетероарин, можуть бути отримані за допомогою нуклеофільних заміщень до піридину. Використання сильних лугів, таких як натрій та трет-бутоксид калію, може допомогти позбутися від піридинових похідних при використанні правильного виходу з групи. Після введення нуклеофіла в потрійний зв'язок, він знижує селективність і призводить до утворення суміші, яка має дві можливі аддукти.

Електрофільні заміни

Деякі електрофілічні заміни піридину можуть або продовжувати до певної точки, або не продовжувати цілком. З іншого боку, гетероароматичний елемент може бути стимульований через функціоналізацію електронного пожертвування. Алкилірованіе (ацилювання) Фріделя-Крафтса є прикладом алкилювання та ацилювання. Цей аспект не може пройти піридин, оскільки це призводить до додавання атома азоту. Заміна в основному відбувається в трьох положеннях, що є одним з багатих на електроні атомів вуглецю, розташованих у кільці, що робить його схильним до електрофільного додавання.

Структура піридинового N-оксиду

Електрофільні заміни можуть спричинити зміну положення піридину в положенні 2- або 4 через несприятливу σ комплексну енергійну реакцію. Проте експериментальні методи можуть бути використані при проведенні електрофільної заміни на N-оксид піридину. Далі пізніше йде дезоксигенація атома азоту. Таким чином, введення кисню, як відомо, знижує щільність азоту та посилює заміну при позиції 2 та атомам 4.

Відомо, що сполуки двовалентної сірки або тривалентного фосфору легко окислюються, тому вони переважно використовуються для видалення атома кисню. Трифенілфосфіноксид являє собою сполуку, яка утворюється після окиснення трифенілфосфіновим реагентом. Це ще один реагент, який може бути використаний для позбавлення атома кисню від іншого елемента. Наведена нижче інформація описує, як звичайна електрофільна заміна реагує з піридином.

Прямий пірогенний нуклеація вимагає певних суворих умов, і в цілому вона мало врожайності. Реакція пентоксиду дінітросу з піридином у присутності натрію може призвести до утворення 3-нітропірину. Похідні піридину можна одержати шляхом азотування нітрат-тетрафторборату (NO2BF4) шляхом виділення атома азоту стерично та електронно. Синтез двох сполук 6-дибромпіридину може призвести до утворення 3-нітропіридину після видалення атомів брому.

Пряма нітрування вважається більш зручною, ніж пряме сульфування піридину. Кипіння піридину при 320 ° C може призвести до піридину-3-сульфонової кислоти швидше за киплячу сірчану кислоту при однакових температурах. Додавання елемента сірки до атома азоту можна отримати, реагуючи групу SO3 у присутності сульфату ртуті (II), яка діє як каталізатор.

Безпосереднє хлорування та бромування можуть продовжуватись, на відміну від азотування та сульфування. 3-бромпіридину можна одержати шляхом реакції молекулярного брому у сірчаній кислоті при 130 ° C з піридином. Після хлорування результат 3-хлорпіридин може бути низьким у присутності хлориду алюмінію, який діє як каталізатор при 100 ° C. Безпосередня реакція галогену та паладію (II) може призвести як до 2-бромпіпіридину, так і до 2-хлорпіридину.

Застосування піридину

Одним з сировинних матеріалів, які є досить важливими для хімічних фабрик, є піридин. У 1989 загальна продукція піридину по всьому світу становила 26K тонн. Як і в 1999, 11 з найбільших виробничих площадок для виробництва піридину 25 знаходилися в Європі. Основні виробники піридинів включали Koei Chemical, Imperial Chemical Industries та Evonik Industries.

На ранніх 2000 виробництво піридину збільшувалося на високому рівні. Наприклад, на одному континенті Китаю щорічно зростає виробнича потужність 30,000 тонн. Сьогодні спільне підприємство між США та Китаєм призводить до найвищого виробництва піридину в світі.

Пестициди

Піридин переважно використовується як попередник двох гербіцидів диквату та параквати. При приготуванні фургіцидів на основі піритіону в якості основної сполуки використовують піридин.

Реакція між Zincke та піриніном призводить до утворення двох сполук - лаурилпіридинію та цетилпіридинію. Завдяки своїм антисептичним властивостям, дві суміші додаються до стоматологічних та засобів для догляду за ротовою порожниною.

Напад алкілюючого агента на піридин призводить до отримання N-алкілпіридинових солей, одним з прикладів є цетилпіридиний хлорид.

Синтез параквати

Розчинник

Ще одне застосуван- ня, в якому використовується піридин, - у конденсаціях Кёвенгагеля, в результаті чого він використовується як низькореактивний, полярний та основний розчинник. Піридин особливо ідеально підходить для дегалогенування, де він служить основою реакції елімінації при зв'язуванні отриманого галогеніду водню з утворенням піридинових солей.

При ацилюваннях та етерфікаціях піридин активує ангіриди або галогеніди карбонової кислоти. Ще більш активними у цих реакціях є 4- (1-піролідиніл) піридин та 4-диметиламінопіридин (DMAP), які є похідними піридину. У реакціях конденсації звичайно застосовують піридин як основу.

Формування піридинію шляхом реакції видалення з піридином

Піридин також є важливою сировиною в текстильній промисловості. Окрім застосування як розчинника у виробництві гуми та барвників, воно також використовується для підвищення пропускної спроможності бавовняної мережі.

Американська харчова та лікарська допомога схвалює додавання піридину в невеликій кількості до їжі, щоб забезпечити їм гіркий аромат.

У розчинах порог визначення піридину становить близько 1-3 ммоль / л-1 (79-237 мг · л-1) Будучи основою, піридин може використовуватися як реагент Карла Фішера. Проте імідазол зазвичай використовують як замінник піридину, оскільки він (імідазол) має приємний запах.

Прекурсор для піперидину

Гідрогенія піридину з каталізатором на основі рутнію, кобальту або нікелю при високих температурах призводить до виробництва піперидину. Це важливий гетероцикл азоту, який є життєво важливим синтетичним будівельним блоком.

Спеціальні реактиви на основі піридину

У 1975 Вільям Согс і Джеймс Корі розвинули хлорхромат піридинію. Він застосовується для окислення вторинних спиртів до кетонів та первинних спиртів до альдегідів. Pyridinium chlorchromate звичайно одержують, коли піридин додають до розчину концентрованої соляної та хромової кислот.

C5H5N + HCl + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3Кл]

З хрому хлоридом (CrO2Cl2) були канцерогенними, треба шукати альтернативний шлях. Один з них - використовувати піридиний хлорид для обробки хрому (VI) оксиду.

[C5H5NH+] Кл- + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3Кл]

Реагент Саррета (комплекс оксиду хрому (VI) з піридиновим гетероциклом у піридині), хлорихромат піридинію (PCC), реагент Cornforth (піридиновий діхромат, PDC) та реагент Колінза (комплекс хрому (VI) оксиду з піридином гетероцикл у дихлорметані) є порівнянними хром-піридиновими сполуками. Вони також застосовуються для окислення, наприклад перетворення вторинних та первинних спиртів на кетони.

Реактиви Саррета і Коллінза не тільки складні для приготування, але також небезпечні. Вони гігроскопічні та сприйнятливі до запалювання під час процесу підготовки. Отже, рекомендується використовувати PDC та PCC. Хоча два реагенти були сильно використані в 70 і 80, вони рідко використовуються в даний час через їх токсичність та підтверджену канцерогенність.

Структура каталізатора Крабтрі

У координаційній хімії піридин широко використовується як ліганд. Це похідне, так само як і його похідна 2,2'-біпіридин, що включає молекули піридину 2, приєднані одним зв'язком, і терпіридин, молекулу кільця піридину 3, з'єднаних між собою.

Більш міцна основа Льюїса може бути використана як заміна для піридиновий ліганд, який є частиною металевого комплексу. Ця характеристика використовується при каталізі реакцій полімеризації та гідрування, використовуючи, наприклад, каталізатор Карбетрі. Піридиновий Лінгард, який заміщений під час реакції, відновлюється після його завершення.

посилання

Номенклатура органічної хімії: Рекомендації IUPAC та пріоритетні назви 2013 (синя книга). Кембридж: Королівське хімічне товариство. 2014 р. 141

Андерсон, Т. (1851). "Продукти з сухої перегонки речовин тваринного походження". Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Шерман, AR (2004). "Піридин". У Пакетті, Л. Енциклопедія реагентів для органічного синтезу. e-EROS (Енциклопедія реагентів для органічного синтезу). Нью-Йорк: Дж. Вілі і сини.

Бер, А. (2008). Angewandte homogene Katalyse. Вайнхайм: Вілей-ВЧ. р. 722