Блог

Всичко, което трябва да знаете за пиридин

Всичко, което трябва да знаете за пиридин

Всичко, което трябва да знаете за Пиридини

Пиридинът е основният хетероцикличен съединение от азиновия вид. Пиридинът се получава от бензен чрез заместване на СН групата чрез N-атома. Структурата на пиридин е аналогична на структурата на бензола, тъй като е свързана чрез замяната на СН група с N. Основните разлики включват:

  1. Отклонението от перфектната редовна шестоъгълна геометрия, дължащо се на присъствието на хетероатом, за да бъде специфично, по-късите връзки азот-въглерод,
  2. Заместването на водородния атом в равнината на пръстена с неразделяната електронна двойка, подобно на равнината на пръстена, разположена в хибридната орбитална линия sp2, която не участва в ароматния p-electron sextet. Този азот самотна двойка отговаря за основните свойства на пиридини,
  3. Силният постоянен дипол, проследим до по-висока електронегодност на азотния атом в сравнение с въглеродния атом.

Пиридиновият пръстен се среща в няколко важни съединения, включително витамини ниацин, пиридоксин, както и азини.

Шотландски химик Томас Андерсън изобретил пиридин в 1849 като едно от съединенията, съставляващи костно масло. След две години Андерсън произвежда чист пиридин чрез фракционна дестилация на костно масло. Това е силно запалима, безцветна, водоразтворима, слабо алкална течност с неприятна отличителна рибна миризма.

Пиридин винаги се използва като прекурсор на фармацевтичните продукти и агрохимикалите и също така е решаващ реагент и разтворител. Пиридин може да се добави към етанол, ако искате да го направите негоден за консумация от хора. Той е приложим и при производството на антихистаминови лекарства мепирамин и трипеленамин, инвитро синтеза на ДНК, в производството на сулфапиридин (лекарство за лечение на вирусни инфекции и бактериални инфекции), както и бактерициди, хербициди и водо-репеленти.

Повечето химични съединения, въпреки че не се произвеждат от пиридин, съдържат пръстенна структура. Такива съединения включват В витамини като пиридоксин и ниацин, никотин, съдържащи азот растителни продукти и антитуберкулозно лекарство, известно като изониазид. Пиридинът е произведен исторически като страничен продукт от газификацията на въглища и от каменовъглен катран. Въпреки това, неблагоприятното търсене на пиридин доведе до разработването на икономически методи за производство от амоняк и ацеталдехид, а над 20,000 тона се произвеждат годишно в световен мащаб.

Номенклатура на пиридин

Системното наименование на пиридин, съгласно номенклатурата на Hantzsch-Widman, предложено от IUPAC, е азин, Но систематичните наименования на основните съединения се използват рядко; вместо това номенклатурата на хетероцикли следва установените общи имена. IUPAC не насърчават използването на азин когато става дума за пиридин.

Номерирането на пръстенните атоми в азина започва с азота. Разпределението на позициите с буквата от гръцката азбука (α-γ) и шаблона за замяна на номенклатурата, типичен за хомоароматичните системи (пара орто, мета,) се използват понякога. Тук α, β и γ се отнасят съответно до две, три и четири позиции.

Систематичното наименование на производните на пиридин е пиридинил, където число предхожда заместеното положение на атома, предхождано от число. Но историческото име пиридил се препоръчва от IUPAC и широко се използва вместо систематичното наименование. Производното, получено чрез добавянето на електрофил към азотния атом, е известно като пиридин.

4 бромопиридин

2,2'-бипиридоново

Дипиколинова киселина (пиридин-2,6-дикарбоксилна киселина)

Основната форма на пиридинов катион

Производство на пиридин

Пиридинът е получен като страничен продукт от газификацията на въглища или извлечен от каменовъглен катран. Този метод е неефективен и трудоемък: въглищният катран има около 0.1 процента пиридин и поради това е необходимо многоетапно пречистване, което допълнително намалява производството. Днес повечето пиридин се произвежда синтетично, използвайки няколко имена реакции, и най-често срещаните са обсъдени по-долу.

Синтез на пиридин чрез Bohlmann-Rahtz

Синтез на пиридин чрез Bohlmann-Rahtz позволява генерирането на заместени пиридини в два основни етапа. Кондензацията на енамини, използващи етинилкетони, води до междинно съединение на аминодиен, което след топлинно индуцирана изомеризация се подлага на циклодехидриране, за да се получат 2,3,6-тризаместени пиридини.

Синтез на пиридин чрез механизъм на Bohlmann-Rahtz

Механизмът е свързан с популярния синтез на Hantzsch Dihydropyridine, къдетона мястогенерираните енаминови и енонови видове произвеждат дихидропиридини. Въпреки че синтеза на Bohlmann-Rahtz е много гъвкава, пречистването на междинните и невероятно високи температури, необходими за циклодехидратацията, са предизвикателства, които са ограничили неговата полезност. Повечето от предизвикателствата са преодолени, което прави Бохман-Рахт синтез по-важен в пиридини поколение.

Въпреки че не е извършено механично изследване, междинните съединения могат да се характеризират с Н-ЯМР. Това показва, че основният продукт от първото добавяне на Майкъл и следващият трансфер на протон може да бъде 2Z-4Eхептадиен-6-един, който се екстрахира и се пречиства чрез колонна хроматография.

По този начин са необходими невероятно високи температури на циклодехидратация, за да се улесни Z/E изомеризации, които са предпоставка за хетероанелирането.

Няколко метода, които позволяват синтез на тетра и тризаместени пиридини в едноетапен процес, са разработени наскоро. Вместо да използва бутинон като субстрат, Bagley тества различни разтворители за преобразуване на по-малко летливи и евтини 4- (триметилсилил) бут-3-yn-2-one. Беше демонстрирано, че само DMSO и EtOH са идеални разтворители. EtOH е ясно предпочитан като полярен и протонен разтворител спрямо DMSO като полярен апротонен разтворител. В двата разтвора протодилизирането се извършва спонтанно. Bagley също така показа, че киселинният катализат позволява циклодехидратацията да продължи при по-ниска температура.

Киселинният катализа стимулира също добавянето на конюгат. Широка гама от енамини взаимодейства с етинил кетони в (5: 1) смес от оцетна киселина и толуен, за да се получат функционализирани пиридини в един етап с отлични добиви.

След успеха на Brønstedt acid catalysis, химикът изследва способността на Lewis кисели катализатори. Най-добри условия Използват се двадесет молни% ytterbium трифлат или петнадесет мол% цинков бромид в сгъстения толуен. Въпреки че механистичното изследване не беше направено, можем да приемем, че координацията с катализатора ускорява стъпките за циклодехидратация, Michael Addition и изомеризация.

Недостатъкът е ограничената съвместимост с чувствителните към киселина субстрати. Например, киселинно катализираното разлагане на енамините се извършва с циано и терт-бутил-естер като електрон-оттеглящи се групи. Друга лека алтернатива е приложението на Amberlyst-15 йонообменния реагент, който толерира терт-butylesters.

Тъй като енамините не са лесно достъпни и за да се подобри способността на процеса, реакцията на 3 компонента се провежда, като се използва амониев ацетат като източник на амино групата. В тази ефективна процедура се генерира енамин на място който реагира с наличния алкинон.

В първия опит, ZnBr2 и АсОН се прилагат като допълнителни катализатори с толуен като разтворител. Оттогава е доказано, че чувствителните към киселина субстрати винаги реагират в лека среда с ЕЮН като разтворител.

Синтез на цихибабин

Синтезът на пиридин на Chichibabin първоначално се отчита в 1924 и все още е основно приложение в химическата промишленост. Това е пръстен-образуваща реакция, която включва реакция на кондензация на алдехиди, кетони, а, р-ненаситени карбонилни съединения. Освен това общата форма на реакцията може да включва всяка комбинация от горните продукти в чист амоняк или нейни производни.

Създаване на Пиридин

Кондензация на формалдехид и ацеталдехид

Формалдехидът и ацеталдехидът са главно източниците на незаместен пиридин. Най-малкото те са достъпни и доста достъпни.

  1. Първата стъпка включва образуването на акролеин от формалдехид и ацеталдехид чрез кондензация на Knoevenagel.
  2. Крайният продукт след това се кондензира от акролеин с ацеталдехид и амоняк, образувайки дихидропиридин.
  3. Крайният процес е окислителна реакция с катализатор в твърдо състояние, за да се получи пиридин.
  4. Горната реакция се извършва в газова фаза с температурен диапазон 400-450 ° С. Образуваното съединение се състои от пиридин, пиколин или обикновени метилирани пиридини и лутидин. Въпреки това, съставът е подложен на използване на катализатора и до известна степен той варира в зависимост от изискванията на производителя. Обикновено катализаторът е сол на преходен метал. Най-често срещаните са манганов (II) флуорид или кадмиев (II) флуорид, въпреки че талият и кобалтовите съединения могат да бъдат алтернативи.
  5. Пиридинът се възстановява от страничните продукти в многоетапен процес. Основното ограничение на синтезата на пиридин на чихибабин е неговият нисък добив, който се превръща до около 20% от крайните продукти. По тази причина немодифицираните форми на това съединение са по-малко разпространени.

Bönnemann циклизация

Bönnemann циклизиране е образуването на тример от комбинацията от две части на ацетиленовата молекула и част от нитрила. Всъщност процесът е модификация на синтеза на Reppe.

Механизмът се улеснява от топлината от повишени температури и налягане или от фото-индуцирана циклоприсъединяване. Когато се активира от светлина, циклизацията на Bönnemann изисква CoCp2 (циклопентадиенил, 1,5-циклооктадиен), който действа като катализатор.

Този метод може да произведе верига от пиридинови производни в зависимост от използваните съединения. Например, ацетонитрилът ще даде 2-метилпиридин, който може да премине деалкилиране до получаване на пиридин.

Други методи

Синтезът на Kröhnke пиридин

Този метод използва пиридин като реагент, въпреки че няма да бъде включен в крайния продукт. Обратно, реакцията ще генерира заместени пиридини.

Когато реагира с а-бромоестери, пиридинът ще претърпи реакция, подобна на Майкъл, с ненаситените карбонили, за да се образува заместен пиридин и пиридиев бромид. Реакцията се обработва с амониев ацетат в леки условия при 20-100 ° С.

Пренареждането на Ciamician-Dennstedt

Това води до разширяване на пръстена на пирол с дихлорокарбен, образувайки 3-хлоропиридин.

Синтез на Гатерман-Скита

В тази реакция малонатната естерна сол реагира с дихлорометиламин в присъствието на основа.

По-силен пиридинов синтез

Реакции на пиридини

Следните реакции могат да бъдат предвидени за пиридини от тяхната електронна структура:

  1. Хетероатомът прави пиридини много нереактивни до нормални електрофилни реакции на ароматно заместване. Обратно, пиридинът е податлив на нуклеофилна атака. Пиридинът претърпява реакциите на електрофилно заместване (SEAr) по-лесно, отколкото нуклеофилно заместване (SNAr) по-лесно, отколкото бензена.
  2. Електрофилните реагенти атакуват за предпочитане при Натом и при ВС-атомите, докато нуклеофилните реагенти предпочитат а- и СС-атомите.

Електрофилно добавяне при азот

При реакции, които включват образуване на връзка чрез използване на самотна двойка електрони върху азота на пръстена, като протониране и кватернизация, пиридинът се държи точно като третичен алифатен или ароматен амин.

Когато пиридин реагира като база или нуклеофил, той образува пиридинов катион, в който ароматният секстет се запазва и азотът придобива формален положителен заряд.

Протониране при азот

Пиридинът образува кристални, често хигроскопични соли с повечето протонни киселини.

Нитриране при азот

Това се случва лесно чрез реакция на пиридини с нитрониеви соли, такива като нитрониев тетрафлуороборат. Протичните нитриращи агенти, като азотна киселина, разбира се, водят изключително до N-протониране.

Ацилиране при азот

Киселинните хлориди и арилсулфоновите киселини реагират бързо с пиридини, образуващи 1-ацил- и 1-арилсулфонилпиридиниеви соли в разтвор.

Алкил халогенидите и сулфатите реагират лесно с пиридини, като се получават кватернерни пиридинови соли.

Нуклеофилни заместители

За разлика от бензола, множество нуклеофилни замествания могат ефективно и ефикасно да бъдат поддържани от пиридин. Това е така, защото пръстенът има малко по-ниска електронна плътност на въглеродните атоми. Тези реакции включват заместители с отстраняване на хидриден йон и елиминиране на добавки, за да се получи междинна аринова конфигурация и обикновено продължават до позицията 2 или 4.

Само пиридинът не може да доведе до образуването на няколко нуклеофилни замествания. Обаче модификацията на пиридин с бром, фрагменти на сулфонова киселина, хлор и флуор може да доведе до отцепваща се група. Образуването на органолитиеви съединения може да бъде възстановено от най-добрата отпадна група на флуор. При високо налягане, нуклеофилните могат да взаимодействат с алкоксиди, тиолати, амини и амониеви съединения.

Малцина хетероцикличен реакциите могат да възникнат поради използването на лоша напускаща група като хидриден йон. Производните на пиридин в 2-позицията могат да бъдат получени чрез реакцията на Chichibabin. 2-аминопиридин може да продължи да се постига, когато като нуклеофил се използва натриев амид. Водородната молекула се образува, когато протоните на аминогрупата се комбинират с хидриден йон.

Подобно на бензен, пиридини междинни съединения като хетероарин могат да бъдат получени чрез нуклеофилни замествания към пиридин. Използването на силни алкали като натриев и калиев трет-бутоксид може да помогне да се отървете от пиридинови производни, когато използвате правото, напускащо групата. След въвеждането на нуклеофила към тройната връзка, той понижава селективността и води до образуването на смес, която има два възможни адукта.

Електрофилни заместители

Няколко пиридинови електрофилни замествания могат или да продължат до известна степен, или да не продължат изцяло. От друга страна, хетероароматният елемент може да бъде стимулиран чрез функционализиране на донорството на електрони. Алкилирането Friedel-Crafts (ацилиране) е пример за алкилиране и ацилиране. Аспектът не се подлага на пиридин, тъй като води до добавянето на азотен атом. Заместванията се случват главно на три позиции, което е един от богатите на електрони въглеродни атоми, намиращи се в пръстена, което го прави склонен към електрофилно добавяне.

Структура на пиридин N-оксид

Електрофилните замествания могат да доведат до промяна на позицията на пиридин при 2- или 4-позиция поради нежеланата σ комплексна енергична реакция. Обаче, могат да се използват експериментални методи, докато се извършва електрофилно заместване на пиридинов N-оксид. По-късно последва от деоксигениране на азотен атом. Поради това е известно, че въвеждането на кислород намалява плътността на азота и подобрява заместването при 2-позицията и 4-позициите въглероди.

Съединенията от двувалентна сяра или тривалентен фосфор са известни, че лесно се окисляват, поради което се използват главно за отстраняване на кислородния атом. Трифенилфосфиновият оксид е съединение, което се образува след окисление на трифенилфосфиновия реагент. Това е друг реактив, който може да се използва за отстраняване на кислороден атом от друг елемент. Информацията по-долу описва как обикновената електрофилна замяна реагира с пиридин.

Директната пиридин нитрация изисква определени сурови условия, като обикновено има малки добиви. Реакцията на динитропентоксид с пиридин в присъствието на натрий може да доведе до образуването на 3-нитропиридин. Производните на пиридин могат да бъдат получени чрез нитриране на нитрониев тетрафлуороборат (NO2BF4) чрез събиране на азотен атом етерично и електронно. Синтезът на две съединения на 6-дибромопиридин може да доведе до образуването на 3-нитропиридин след отстраняването на бромните атоми.

Директната нитрирация се счита за по-удобна от директната сулфонизация на пиридин. При кипене на пиридин при 320 ° С може да се получи пиридин-3-сулфонова киселина по-бързо от кипящата сярна киселина при същите температури. Добавянето на серен елемент към азотен атом може да бъде получено чрез взаимодействие на група SO3 в присъствието на живачен (II) сулфат, който действа като катализатор.

Директното хлориране и бромиране могат да продължат добре, за разлика от нитрирането и сулфонацията. 3-бромопиридин може да бъде получен чрез реакция на молекулярен бром в сярна киселина при 130 ° С с пиридин. При хлорирането резултатът от 3-хлоропиридин може да бъде нисък в присъствието на алуминиев хлорид, който действа като катализатор при 100 ° C. Директната реакция на халоген и паладий (II) може да доведе както до 2-бромопиридин, така и до 2-хлоропиридин.

Приложения на пиридин

Една от суровините, които са изключително важни за химическите фабрики, е пиридинът. В 1989 общото производство на пиридин в световен мащаб е било 26K тона. От 1999, 11 от най-големите 25 производствени пиридин са разположени в Европа. Основните производители на пиридин включват Koei Chemical, Imperial Chemical Industries и Evonik Industries.

В ранните 2000s, производството на пиридин се увеличава с висок марж. Например единствено континентален Китай постигна годишен производствен капацитет от 30,000 тона. Днес съвместното предприятие между САЩ и Китай води до най-високото производство на пиридин в света.

Пестициди

Пиридинът се използва главно като прекурсор на два хербицида дикват и паракват. При получаването на фунгициди на основата на пиритион, като основно съединение се използва пиридин.

Реакцията между Zincke и пиридин води до получаването на две съединения - лаурилпиридин и цетилпиридин. Благодарение на техните антисептични свойства, двете съединения се добавят към продуктите за стоматологично и перорално лечение.

Атаката от алкилиращ агент към пиридин води до N-алкилпиридиниеви соли, като цетилпиридиниев хлорид е един пример.

Синтез на паракват

разтворител

Друго приложение, при което се използва пиридин, е кондензацията на Knoevenagel, при която се използва като ниско реактивен, полярен и основен разтворител. Пиридинът е особено подходящ за дехалогениране, където той служи като основа на реакцията на елиминиране, докато свързва получения водороден халид до образуване на пиридинова сол.

При ацилирането и естерификацията пиридинът активира анхидридите или халогенидите на карбоксиловата киселина. Още по-активни в тези реакции са 4- (1-пиролидинил) пиридин и 4-диметиламинопиридин (DMAP), които са пиридинови производни. В кондензационните реакции пиридин обикновено се прилага като основа.

Образуване на пиридин чрез реакция на елиминиране с пиридин

Пиридинът също е важна суровина в текстилната промишленост. Освен че се прилага като разтворител при производството на каучук и бои, той се използва и за увеличаване на капацитета на памука.

Американската администрация по храните и лекарствата одобрява добавянето на пиридин в малки количества към храните, за да им осигури горчив вкус.

В разтворите прагът на откриване на пиридин е около 1-3 mmol-1 (79-237 mg · L-1). Като основа може да се използва пиридин като реагент на Карл Фишер. Въпреки това, имидазолът обикновено се използва като заместител на пиридин, тъй като (имидазолът) има приятна миризма.

Прекурсор на пиперидин

Хидрирането на пиридин с рутениев, кобалтов или никелов катализатор при високи температури води до получаване на пиперидин. Това е основен азотен хетероцикъл, който е жизненоважен синтетичен градивен елемент.

Специфични реагенти на базата на пиридин

В 1975 Уилям Сюз и Джеймс Кори разработиха пиридин хлорохромат. Прилага се за окисляване на вторични алкохоли до кетони и първични алкохоли до алдехиди. Пиридин хлорохроматът обикновено се получава, когато пиридин се добавя към разтвора на концентрирана хлороводородна и хромова киселина.

C5H5N + HCI + CrO3 → [C5H5NH] [СгОз3Cl]

С хромиловия хлорид (CrO2Cl2), които са канцерогенни, трябва да се търси алтернативен път. Един от тях е да се използва пиридин хлорид за обработка на хромен (VI) оксид.

[C5H5NH+] Cl- + CrO3 → [C5H5NH] [СгОз3Cl]

Реактивът Sarret (комплексът от хромен (VI) оксид с пиридин хетероцикъл в пиридин), пиридин хлорохромат (PCC), реагентът на Cornforth (пиридин дихромат, PDC) и реагентът Collins (комплексът на хромен оксид с пиридин хетероцикъл в дихлорометан) са сравними хром-пиридинови съединения. Те се прилагат и за окисляване, като например превръщане на вторични и първични алкохоли в кетони.

Реагентите "Сарет и Колинс" са не само трудни за подготовка, но и опасни. Те са хигроскопични и са податливи на възпламеняване по време на процеса на приготвяне. Следователно се препоръчва използването на PDC и PCC. Докато двата реагента се употребяват силно в 70 и 80, те се използват рядко в момента поради тяхната токсичност и потвърдена канцерогенност.

Структурата на катализатора на Crabtree

В координационната химия, пиридинът се използва широко като лиганд. Това е производно, както и неговият производствен 2,2'-бипиридин, съдържащ 2 пиридин молекули, прикрепени чрез единична връзка, и терпиридин, молекула от 3 пиридинови пръстени, свързани заедно.

По-силна основа на Люис може да се използва като заместител на пиридинов лиганд, който е част от метален комплекс. Тази характеристика се използва при катализиране на реакции на полимеризация и хидрогениране, като се използва например катализаторът на Carabtree. Пиридинът Lingard, който е заместен по време на реакцията, се възстановява след завършването му.

Препратки

Номенклатура на органичната химия: препоръки по IUPAC и предпочитани имена 2013 (синя книга), Кеймбридж: Кралското дружество по химия. 2014. стр. 141.

Андерсън, Т. (1851). "Продуктите на сухото дестилиране на животинските мазнини". Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). "Пиридин". В Paquette, L. Енциклопедия на реагентите за органичен синтез. e-EROS (Енциклопедия на реагентите за органичен синтез), Ню Йорк: J. Wiley & Sons.

Behr, A. (2008). Ангелвайде хомогенна Katalyse, Weinheim: Wiley-VCH. стр. 722.