Blog

Tot ce trebuie să știți despre piridine

Tot ce trebuie să știți despre piridine

Tot ce trebuie să știți despre Piridine

Piridina este esențială heterociclic compus de tip azină. Piridina este derivată din benzen prin înlocuirea grupării CH cu atomul de N. Structura piridinei este analogă structurii benzenului, deoarece este legată de înlocuirea grupului CH cu N. Diferențele majore includ:

  1. Plecând de la o geometrie hexagonală regulată perfectă datorită prezenței unui heteroatom, să fie specific, legăturile mai scurte de azot-carbon,
  2. Înlocuirea unui atom de hidrogen în planul inelului cu perechea de electroni neparticipată, ca în planul inelului, localizată în orbita hibridă sp2 și care nu este implicată într-un sextet p-electron aromat. Acest azot singur pereche unul responsabil pentru proprietatile de baza ale piridine,
  3. Dibolul permanent puternic, trasabil la o electronegativitate mai mare a atomului de azot, comparativ cu un atom de carbon.

Inelul de piridină are loc în mai mulți compuși cruciali, printre care vitaminele niacină, piridoxina, precum și azinele.

Un chimist scoțian, Thomas Anderson a inventat piridina în 1849 ca unul dintre compușii care constituie ulei de oase. După doi ani, Anderson a derivat piridină pură prin distilarea fracționată a uleiului osos. Este un lichid puternic inflamabil, incolor, solubil în apă, slab alcalin, cu un miros neplăcut de miros de pește.

Pyridina este întotdeauna utilizată ca un precursor al produselor farmaceutice și agrochimice și este, de asemenea, un reactiv și solvent crucial. Pyridina poate fi adăugată la etanol dacă doriți să o faceți impropriu consumului uman. Este, de asemenea, aplicabil în producția de medicamente antihistaminice mepiramină și tripelenamină, in vitro sinteza ADN-ului, în producerea de sulfapiridină (medicament pentru tratarea infecțiilor virale și a infecțiilor bacteriene), precum și bactericide, erbicide și substanțe hidrofuge.

Majoritatea compușilor chimici, chiar dacă nu sunt produși din piridină, conțin o structură inelară. Astfel de compuși includ vitaminele B cum ar fi piridoxina și niacinul, nicotina, produsele de plante care conțin azot și medicamentul anti-tuberculoză cunoscut sub numele de izoniazid. Pyridina a fost produsă istoric ca un produs secundar al gazeificării cărbunelui și din gudron de cărbune. Cu toate acestea, cererea crescândă de piridină a condus la dezvoltarea unor metode economice de producție din amoniac și acetaldehidă, iar peste tone 20,000 sunt produse anual pe plan mondial.

Nomenclatorul piridină

Denumirea sistematică a piridinei, conform nomenclaturii Hantzsch-Widman sugerată de IUPAC, este azină. Dar numele sistemelor pentru compușii de bază sunt folosiți rar; în schimb, nomenclatorul de heterocicluri urmează nume comune stabilite. IUPAC nu încurajează utilizarea azină când se face referire la piridină.

Numerotarea atomilor inelului în azină începe la azot. Alocarea pozițiilor prin litera alfabetică greacă (α-γ) și modelul de substituție a nomenclaturii tipic sistemelor homoaromatice (para ortho, meta,) sunt uneori folosite. Aici α, β și γ se referă la cele două, trei și, respectiv, patru poziții.

Denumirea sistematică pentru derivații piridinei este piridinil, unde un număr precede poziția atomului substituit precedată de un număr. Dar numele istoric piridil este recomandat de IUPAC și utilizat pe scară largă în locul numelui sistematic. Derivatul format prin adăugarea unui electrofil la atomul de azot este cunoscut ca piridiniu.

4-brompiridină

2,2'-bipiridină

Acid dipicolinic (acid piridin-2,6-dicarboxilic)

Forma de bază a cationului de piridiniu

Producerea piridinei

S-a obținut piridina ca produs secundar de gazeificare a cărbunelui sau extras din gudron de cărbune. Această metodă a fost ineficientă și consumatoare de forță de muncă: gudronul de cărbune are în jur de 0.1 procente de piridină, fiind necesară o purificare în mai multe etape, ceea ce a redus producția. Astăzi, cea mai mare parte a piridinei este fabricată sintetic folosind mai multe reacții de nume, cele mai frecvente fiind discutate aici mai jos.

Sinteza piridinei prin Bohlmann-Rahtz

Sinteza piridinei prin Bohlmann-Rahtz permite generarea de piridine substituite în două etape majore. Condensarea enaminelor utilizând etinilcetoni conduce la un intermediar aminodiene care, după izomerizarea indusă de căldură, suferă ciclodehidratare pentru a produce piridine 2,3,6-trisubstituite.

Sinteza piridinei printr-un mecanism Bohlmann-Rahtz

Mecanismul este legat de populara Hantzsch Dihydropyridine Synthesis undein situ- enamina generată și speciile enone produc dihidropiridine. Deși sinteza lui Bohlmann-Rahtz este foarte versatilă, purificarea temperaturilor intermediare și incredibil de ridicate necesare pentru ciclodehidratare reprezintă provocări care i-au limitat utilitatea. Cele mai multe dintre provocări au fost depășite, ceea ce a făcut din sinteza lui Bohlmann-Rahtz mai esențială în piridine generaţie.

Chiar dacă nu s-au efectuat cercetări mecanice, intermediarii pot fi caracterizați prin RMN-H. Acest lucru arată că produsul major al primei adăugări Michael și următorul transfer de protoni poate fi un 2Z-4Eheptadien-6-one care este extras și purificat prin cromatografie pe coloană.

Prin urmare, sunt necesare temperaturi ridicate de ciclodehidratare pentru a facilita acest lucru Z/E izomerizări care sunt o condiție prealabilă pentru heteroannelare.

Mai multe metode care permit sinteza piridinelor tetra și trisubstituite într-un proces cu o singură etapă au fost dezvoltate recent. În locul utilizării butononei ca substrat, Bagley a testat diferiți solvenți pentru a transforma 4- (trimetilsilil) but-3-yn-2-unu mai puțin volatil și ieftin. Sa demonstrat că numai DMSO și EtOH sunt solvenți ideali. EtOH este în mod clar favorizat ca solvent polar și protic față de DMSO ca solvent aprotic polar. În cei doi solvenți, protodesilarea a avut loc spontan. Bagley a demonstrat, de asemenea, că cataliza acidă permite ciclodehidratarea să continue la o temperatură mai scăzută.

Acid cataliza, de asemenea, stimulează adăugarea de conjugat. O gamă largă de enamine a reacționat cu etinil cetone în amestecul (5: 1) de acid acetic și toluen pentru a se obține piridine funcționalizate într-o singură etapă, cu randamente excelente.

După succesul catalizei de acid Brønstedt, chimistul a investigat capacitatea catalizatorilor de acid Lewis. Cele mai bune condiții Se utilizează fie douăzeci de mol% triflat de yterbiu sau cincisprezece% mol de bromură de zinc în toluenul de reflux. Chiar dacă cercetarea mecanică nu a fost făcută, putem presupune că coordonarea prin catalizator accelerează ciclodehidratarea, Michael Addition și etapele de izomerizare.

Dezavantajul este compatibilitatea limitată cu substraturile sensibile la acizi. De exemplu, descompunerea catalitică acidă a enaminelor are loc cu ciano și tert-butilic ca grupări de extragere a electronilor. O altă alternativă ușoară este aplicarea reactivului de schimb ionic Amberlyst-15 care tolerează tert-butylesters.

Deoarece enaminele nu sunt ușor disponibile și pentru a spori facilitatea procesului, s-a efectuat o reacție 3-component utilizând acetat de amoniu ca sursă a grupării amino. În această procedură eficientă, este generată enamina in situ care reacționează cu prezența alchinonei.

În primul proces, ZnBr2 și AcOH au fost aplicate ca catalizatori suplimentari cu toluen ca solvent. Totuși, sa demonstrat că substraturile sensibile la acid reacționează întotdeauna într-un mediu ușor cu EtOH ca solvent.

Sinteza chichibabinului

Sinteza chichibabin piridinei a fost raportată pentru prima oară în 1924 și este încă o aplicație majoră în industria chimică. Este o reacție de formare a inelului, care implică reacția de condensare a aldehidelor, a cetonelor, a compușilor carbonilici nesaturați a, p. Mai mult, forma generală a reacției poate include orice combinație a produselor de mai sus în amoniac pur sau derivați ai acestuia.

Formație de Piridina

Condensarea formaldehidei și acetaldehidei

Formaldehida și acetaldehida sunt în principal sursele de piridină nesubstituită. Cel puțin, acestea sunt accesibile și destul de accesibile.

  1. Primul pas implică formarea acroleinei din formaldehidă și acetaldehidă prin condensarea Knoevenagel.
  2. Produsul final este apoi condensat din acroleină cu acetaldehidă și amoniac, formând dihidropiridină.
  3. Procesul final este o reacție de oxidare cu un catalizator în stare solidă pentru a produce piridină.
  4. Reacția de mai sus se efectuează într-o fază gazoasă cu un interval de temperatură de 400-450 ° C. Compusul format constă din piridină, picolină sau piridine simple metilate și lutidină. Cu toate acestea, compoziția este supusă utilizării catalizatorului și, într-o oarecare măsură, variază în funcție de cerințele producătorului. În mod tipic, catalizatorul este o sare de metal tranzițional. Cele mai frecvente sunt fluorura de mangan (II) sau fluorura de cadmiu (II), deși compușii de taliu și cobalt pot fi alternative.
  5. Piridina este recuperată din produsele secundare într-un proces în mai multe etape. Limitarea majoră a sintezei de piridină a chichibabinului este randamentul său scăzut, care traduce la aproximativ 20% din produsele finale. Din acest motiv, formele nemodificate ale acestui compus sunt mai puțin răspândite.

Ciclizare Bönnemann

Ciclizarea Bönnemann este formarea unui trimer din combinația a două părți din molecula acetilenă și o parte dintr-un nitril. De fapt, procesul este o modificare a sintezei Reppe.

Mecanismul este facilitat fie de căldură datorită temperaturilor și presiunii ridicate, fie prin cicloadiție indusă de fotografie. Când este activat de lumină, ciclizarea Bönnemann necesită CoCp2 (ciclopentadienil, 1,5-ciclooctadienă) pentru a acționa ca un catalizator.

Această metodă poate produce un lanț de derivați de piridină în funcție de compușii utilizați. De exemplu, acetonitrilul va produce 2-metilpiridina, care poate suferi dealchilarea pentru a forma piridina.

Alte metode

Sinteza Kröhnke piridinei

Această metodă utilizează piridina ca reactiv, deși nu va fi inclusă în produsul final. Contrar, reacția va genera piridine substituite.

Când reacționează cu a-bromoesteri, piridina va suferi o reacție asemănătoare lui Michael cu carbonilii nesaturați pentru a forma piridina substituită și bromura de piridiu. Reacția este tratată cu acetat de amoniac în condiții ușoare 20-100 ° C.

Rearanjarea Ciamician-Dennstedt

Acest lucru implică extinderea inelului de pirol cu ​​diclorocarbină, formând 3-clorpiridină.

Sinteza lui Gattermann-Skita

În această reacție, sarea esterului de malonat reacționează cu diclormetilamină în prezența unei baze.

Sinteza bogată de piridină

Reacțiile din piridine

Următoarele reacții pot fi prezise pentru piridine din structura lor electronică:

  1. Heteroatomul face ca piridinele să fie foarte nereactive la reacțiile normale de substituție aromatică electrofilă. Dimpotrivă, piridinele sunt susceptibile la atacuri nucleofile. Pyridinele suferă reacții de substituție electrofilă (SEAr) mai ușor decât substituția nucleofilă (SNAr) mai ușor decât benzenul.
  2. Reactoarele electrofile atacă, de preferință, la Natom și la atomii de carbon, în timp ce reactivii nucleofili preferă atomii de a- și cC.

Adăugarea electrofilă la azot

În reacțiile care implică formarea legăturii utilizând singura pereche de electroni pe azotul din inel, cum ar fi protonarea și quaternizarea, piridinele se comportă la fel ca aminele alifatice terțiare sau aromatice.

Atunci când o piridină reacționează ca bază sau nucleofil, ea formează un cation de piridiniu în care se păstrează sextetul aromatic și azotul dobândește o încărcătură formală pozitivă.

Protonarea la azot

Pyridinele formează săruri cristaline, frecvent higroscopice, cu majoritatea acizilor protic.

Nitratarea la azot

Aceasta se întâmplă rapid prin reacția piridinelor cu săruri de nitroniu, cum ar fi tetrafluoroboratul de nitroniu. Agenții de nitrare protic, cum ar fi acidul azotic, desigur, conduc exclusiv la N-protonare.

Acilarea la azot

Clorurile acide și acizii arilsulfonici reacționează rapid cu piridinele generând săruri 1-acil și 1-arilsulfonilpiridiniu în soluție.

Alchil halogenurile și sulfații reacționează rapid cu piridine dând săruri de piridiniu cuaternar.

Substituții nucleofile

Spre deosebire de benzen, numeroase substituții nucleofile pot fi susținute eficient și eficient de piridină. Aceasta se datorează faptului că inelul are o densitate electronică ușor mai scăzută a atomilor de carbon. Aceste reacții includ înlocuiri cu îndepărtarea unui ion de hidrură și adăugări de eliminare pentru a obține o configurație intermediară de ariină și, de obicei, continuă la poziția 2 sau 4.

Doar piridina nu poate conduce la formarea mai multor substituții nucleofile. Totuși, modificarea piridinei cu brom, a fragmentelor de acid sulfonic, a clorului și a fluorului poate conduce la o grupare scindabilă. Formarea compușilor de organolițiu poate fi recuperată din cea mai bună grupă de fluor care pleacă. La presiune ridicată, nucleofilul poate reacționa cu alcoxizi, tiolați, amine și compuși de amoniac.

Puţini heterociclic pot apărea reacții datorită utilizării unei grupări scăpărătoare sărace, cum ar fi ionul de hidrură. Derivații de piridină la poziția 2 pot fi obținuți prin reacția Chichibabin. 2-aminopiridina poate continua să fie atinsă când amida de sodiu este utilizată ca nucleofil. Molecula de hidrogen este formată atunci când protonii grupării amino se combină cu ionul de hidrură.

Similar cu benzenul, piridine intermediarii cum ar fi heteroarina pot fi obținuți prin substituții nucleofile la piridină. Utilizarea alcalinelor puternice, cum ar fi terț-butoxidul de sodiu și potasiu, poate ajuta la scăderea derivatelor de piridină atunci când se utilizează dreptul de a părăsi grupul. După introducerea nucleofilului la legătura triplă, el scade selectivitatea și conduce la formarea unui amestec care are două aducte posibile.

Substituții electrofile

Mai multe substituții piridin electrofilice pot continua până la un anumit punct sau nu continuă în întregime. Pe de altă parte, elementul heteroaromatic poate fi stimulat prin funcționalizarea donării de electroni. Alchilarea Friedel-Crafts (acilarea) este un exemplu de alchilații și acilații. Aspectul nu este supus piridinei, deoarece are ca rezultat adăugarea de atom de azot. Substituțiile se întâlnesc în principal la poziția a treia, care este unul dintre atomii de carbon bogați în electroni localizați în inel, făcându-l predispus la o adăugare electrofilă.

Structura de N-oxid de piridină

Înlocuirea electrofilă poate avea ca rezultat schimbarea poziției piridinei la poziția 2 sau 4 datorită reacției puternice complexe adverse. Cu toate acestea, pot fi utilizate metode experimentale în timp ce se efectuează o substituție electrofilă pe N-oxid de piridină. Ulterior este urmată de deoxigenarea atomilor de azot. Prin urmare, este cunoscută introducerea oxigenului pentru a reduce densitatea pe azot și pentru a spori substituția la pozițiile 2 și carbonii cu poziția 4.

Compușii de sulf divalent sau fosfor trivalent sunt cunoscuți a fi oxidați cu ușurință, prin urmare folosiți în principal pentru a îndepărta atomul de oxigen. Oxidul de trifenilfosfină este un compus care se formează după oxidarea reactivului trifenilfosfină. Este un alt reactiv care poate fi folosit pentru a scapa de un atom de oxigen dintr-un alt element. Informațiile de mai jos descriu modul în care substituția electrofilă obișnuită reacționează cu piridina.

Nitratarea directă de piridină necesită anumite condiții dure și, în general, are un randament scăzut. Reacția pentoxidului de azot cu piridina în prezența sodiului poate conduce la formarea 3-nitropiridinei. Derivații de piridină pot fi obținuți prin nitrarea tetrafluoroboratului de nitroniu (NO2BF4) prin extragerea atomului de azot steric și electronic. Sinteza a doi compuși ai 6-dibrompiridinei poate duce la formarea 3-nitropiridinei după îndepărtarea atomilor de brom.

Nitrarea directă este considerată mai confortabilă decât sulfonarea directă a piridinei. Încălzirea piridinei la 320 ° C poate duce la acidul piridin-3-sulfonic mai rapid decât acidul sulfuric fierbinte la aceleași temperaturi. Adăugarea elementului de sulf la atomul de azot poate fi obținută prin reacția grupului SO3 în prezența sulfatului de mercur (II) care acționează ca un catalizator.

Clorurarea directă și bromurarea pot continua spre deosebire de nitrare și sulfonare. 3-brompiridina poate fi obținută prin reacția bromului molecular în acid sulfuric la 130 ° C cu piridină. După clorurare, rezultatul 3-cloropiridinei poate fi scăzut în prezența clorurii de aluminiu care acționează ca un catalizator la 100 ° C. Reacția directă a halogenului și a paladiului (II) poate avea ca rezultat atât 2-brompiridina, cât și 2-clorpiridina.

Aplicații ale piridinei

Una dintre materiile prime care sunt foarte importante pentru fabricile chimice este piridina. În 1989, producția totală de piridină la nivel mondial a fost de aproximativ 26K. Începând cu 1999, 11 din cele mai mari situri de producție de piridină 25 au fost situate în Europa. Principalii producători de piridină includ Koei Chemical, Imperial Chemical Industries și Evonik Industries.

În primele 2000-uri, producția de piridină a crescut cu o marjă mare. De exemplu, numai China continentală a atins o capacitate de producție anuală de 30,000 tone. Astăzi, asocierea în comun dintre SUA și China are ca rezultat cea mai mare producție de piridină din lume.

Pesticide

Pyridina este folosită în principal ca precursor pentru două erbicide diquat și paraquat. În prepararea fungicidelor bazate pe pirition, se utilizează piridina ca compus bazic.

Reacția dintre Zincke și piridină conduce la producerea a doi compuși - laurilpiridiniu și cetilpiridiniu. Datorită proprietăților lor antiseptice, cei doi compuși se adaugă la produsele de îngrijire dentară și orală.

Un atac al unui agent de alchilare pe piridină are ca rezultat un exemplu de săruri de N-alchilpiridiniu, clorură de cetilpiridiniu.

Paraquat Sinteza

Solvent

O altă aplicație în care se utilizează piridina este în condensările Knoevenagel, prin care se utilizează ca un solvent reactiv scăzut, polar și bazic. Pyridina este în mod special ideală pentru dehalogenație, în care servește ca bază de reacție de eliminare în timp ce se leagă halogenura de hidrogen rezultată pentru a forma sarea piridinică.

În acilații și esterificări, piridina activează anhidridele sau halogenurile acidului carboxilic. Chiar mai active în aceste reacții sunt 4- (1-pirolidinil) piridina și 4-dimetilaminopiridina (DMAP), care sunt derivați de piridină. În reacțiile de condensare, piridina este în mod obișnuit aplicată ca bază.

Formarea piridinului prin reacția de eliminare cu piridină

Pyridina este, de asemenea, o materie primă importantă în industria textilă. Pe lângă faptul că este aplicat ca solvent în producția de cauciuc și coloranți, este folosit și pentru a spori capacitatea rețelei de bumbac.

Administrația americană pentru alimente și medicamente aprobă adăugarea de piridină în cantități mici în alimente pentru a le oferi o aromă amară.

În soluții, pragul de detecție al piridinei este în jurul valorii de 1-3 mmol-1 (79-237 mg · L-1). Fiind o bază, piridina poate fi utilizată ca un reactiv Karl Fischer. Cu toate acestea, imidazolul este folosit în mod obișnuit ca un substitut pentru piridină deoarece acesta (imidazol) are un miros plăcut.

Precursor al piperidinei

Hidrogenarea cu piridină cu catalizator pe bază de ruteniu, cobalt sau nichel la temperaturi ridicate conduce la producerea de piperidină. Acesta este un heterociclu esențial de azot, care este un element vital de construcție sintetică.

Reactivi de specialitate bazați pe piridină

În 1975, William Suggs și James Corey au dezvoltat clorocromat de piridiniu. Se aplică pentru a oxida alcoolii secundari la cetone și alcooli primari la aldehide. Clorochromatul de piridiniu este obișnuit obținut când piridina este adăugată la soluția de clorhidrat concentrat și acid cromic.

C5H5N + HCI + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3Cl]

Cu clorura de cromil (CrO2Cl2) fiind carcinogenă, trebuia căutată o cale alternativă. Una dintre ele este utilizarea clorurii de piridiniu pentru tratarea oxidului de crom (VI).

[C5H5NH+] CI- + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3Cl]

Reactivul Sarret (complexul de oxid de crom (VI) cu heterociclu de piridină în piridină), clorochromatul de piridiniu (PCC), reactivul Cornforth (dicromatul de piridiniu, PDC) și reactivul Collins (complexul de oxid de crom (VI) heterociclu în diclormetan) sunt compuși comparabili crom-piridină. Ele sunt de asemenea aplicate pentru oxidare, cum ar fi conversia alcoolilor secundari și primari în cetone.

Reactanții Sarret și Collins nu sunt doar dificil de pregătit, ci și periculoși. Ele sunt higroscopice și sunt susceptibile de a se aprinde în timpul procesului de preparare. În consecință, sa recomandat utilizarea PDC și PCC. În timp ce cei doi reactivi au fost utilizați intens în 70 și 80, ele sunt rareori utilizate în prezent datorită toxicității lor și carcinogenității confirmate.

Structura catalizatorului Crabtree

În chimia coordonării, piridina este utilizată pe larg ca ligand. Este derivat, ca și derivatul său 2,2'-bipiridină, care conține molecule de piridină 2 atașate printr-o singură legătură și terpiridină, o moleculă de inele de piridină 3 conectate împreună.

O bază mai puternică Lewis poate fi utilizată ca înlocuitor pentru un ligand piridină care face parte dintr-un complex metalic. Această caracteristică este exploatată în cataliza reacțiilor de polimerizare și hidrogenare, utilizând, de exemplu, catalizatorul Carabtree. Lingardul de piridină care este înlocuit în timpul reacției este restabilit după finalizarea acestuia.

Referinte

Nomenclatorul Chimiei organice: Recomandări IUPAC și nume preferate 2013 (Cartea albastră). Cambridge: Societatea Regală de Chimie. 2014. p. 141.

Anderson, T. (1851). "Ueber die Produkt der trocknen Destilation thierischer Materien" [Cu privire la produsele de distilare uscată a materiilor animale]. Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). „Piridina“. În Paquette, L. Enciclopedia de reactivi pentru sinteza organică. e-EROS (Enciclopedia de reactivi pentru sinteza organică). New York: J. Wiley & Sons.

Behr, A. (2008). Angewandte omogenă Katalyse. Weinheim: Wiley-VCH. p. 722.