Blog

Vše, co potřebujete vědět o Pyridinech

Vše, co potřebujete vědět o Pyridinech

Vše, co potřebujete vědět o Pyridiny

Pyridin je základní heterocyklický sloučenina azinového typu. Pyridin je odvozen od benzenu nahrazením skupiny CH atomem dusíku. Pyridinová struktura je analogická struktuře benzenu, protože je spojena nahrazením skupiny CH atomem N. Mezi hlavní rozdíly patří:

  1. Odchod z perfektní pravidelné hexagonální geometrie v důsledku přítomnosti heteroatu, aby byl specifický, kratší vazby dusík-uhlík,
  2. Výměna atomu vodíku v rovině kruhu s neděleným sdíleným elektronovým perem, podobně jako v rovině kroužku, nacházející se v hybridním orbitálním sponu SP2 a nezahrnutém do aromatického p-elektronového sextetu. Tento dusík osamělý pár je zodpovědný za základní vlastnosti pyridinů,
  3. Silný stálý dipól, který lze sledovat vyšší elektrogenitou atomu dusíku ve srovnání s atomem uhlíku.

Pyridinový kruh se vyskytuje v několika klíčových sloučeninách, včetně vitaminů niacin, pyridoxin, stejně jako azinů.

Skotský chemik Thomas Anderson vynalezl pyridin v přípravku 1849 jako jednu ze sloučenin tvořících kostní olej. Po dvou letech získal Anderson čistý pyridin frakční destilací kostního oleje. Jedná se o vysoce hořlavou, bezbarvou, vodorozpustnou, slabě alkalickou kapalinu s nepříjemným charakteristickým rybí vůní.

Pyridin se vždy používá jako prekurzor léčiv a agrochemikálií a je také rozhodujícím činidlem a rozpouštědlem. Pyridin může být přidán do etanolu, pokud chcete, aby byl nevhodný pro lidskou spotřebu. Je také použitelný při výrobě antihistaminických léků mepyramin a tripelennamin, in vitro syntéza DNA, při výrobě sulfapyridinu (lék na léčbu virových infekcí a bakteriálních infekcí), jakož i baktericidů, herbicidů a vodoodpudivých látek.

Většina chemických sloučenin, i když nejsou vyrobena z pyridinu, obsahuje kruhovou strukturu. Takové sloučeniny obsahují vitaminy B, jako je pyridoxin a niacin, nikotin, rostlinné produkty obsahující dusík a lék proti tuberkulóze známý jako isoniazid. Pyridin byl historicky vyráběn jako vedlejší produkt zplyňování uhlí a z uhelného dehtu. Rostoucí poptávka po pyridinu však vedla k vývoji ekonomických způsobů výroby z čpavku a acetaldehydu a celosvětově se produkují více než 100 tun ročně.

Nomenklatura pyridin

Systematické jméno pyridinu podle nomenklatury Hantzsch-Widman navrhované IUPAC je azin. Systémové názvy základních sloučenin se však používají zřídka; místo toho nomenklatura heterocyklů následuje obecné názvy. IUPAC nepodporují používání azin když se odkazuje na pyridin.

Číslování atomů kruhu v azinu začíná na dusíku. Přidělení pozic písmenem řeckého písmene (α-γ) a vzorem náhrady nomenklatury typickým pro homoaromatické systémy (para ortho, meta,) jsou někdy používány. Zde α, β a γ se týkají dvou, tří a čtyř pozic.

Systémový název pro deriváty pyridinu je pyridinyl, kde číslo předchází pozici substituovaného atomu před číslem. Ale historický název pyridyl doporučuje IUPAC a používá se obecně místo systematického názvu. Derivát vytvořený přidáním elektrofilu k atomu dusíku je známý jako pyridinium.

4-brompyridin

2,2'-bipyridin

Kyselina dipikolinová (kyselina pyridin-2,6-dikarboxylová)

Základní forma pyridinového kationtu

Výroba pyridinu

Pyridin byl získán jako vedlejší produkt zplyňování uhlí nebo extrahován z uhelného dehtu. Tato metoda byla neúčinná a pracovně náročná: uhelný dehet měl okolo 0.1 procentu pyridinu, a proto bylo zapotřebí vícestupňové čištění, které dále snižovalo výkonnost. Dnes je většina pyridinu vyráběna synteticky pomocí několika názvových reakcí a nejčastěji se zde diskutuje.

Syntéza pyridinu skrze Bohlmanna-Rahtze

Syntéza pyridinu pomocí Bohlmann-Rahtzu umožňuje generování substituovaných pyridinů ve dvou hlavních krocích. Kondenzace enaminů za použití ethynylketonů vede k aminodienovému meziproduktu, který po tepelné izomeraci podléhá cyklodehydrataci za vzniku 2,3,6-trisubstituovaných pyridinů.

Syntéza pyridinu pomocí mechanismu Bohlmann-Rahtze

Mechanismus souvisí s populární syntézou Hantzschova dihydropyridinu, kdein situgenerované enaminové a enonové druhy produkují dihydropyridiny. Přestože Bohlmann-Rahtz Synthesis je vysoce univerzální, vyčištění meziproduktů a neuvěřitelně vysokých teplot potřebných pro cyklodehydraci jsou výzvy, které omezily jeho užitečnost. Většina výzev byla překonána a Bohlmann-Rahtzova syntéza byla podstatně důležitější pyridiny generace.

I když nebyl proveden žádný mechanistický výzkum, meziprodukty mohou být charakterizovány pomocí H-NMR. To ukazuje, že hlavním produktem prvního Michael Additionu a následujícím přenosem protonu může být 2Z-4E-heptadien-6-one, který se extrahuje a čistí sloupcovou chromatografií.

Pro usnadnění je tedy zapotřebí neuvěřitelně vysoké teploty cyklodehydratace Z/E izomerizací, které jsou předpokladem pro heteroannelaci.

Několik metod, které umožňují syntézu tetra- a trisubstituovaných pyridinů v jednostupňovém procesu, bylo nedávno vyvinuto. Namísto použití butynonu jako substrátu testoval Bagley různá rozpouštědla pro konverzi méně prchavých a nenákladných 4- (trimethylsilyl) but-3-yn-2-one. Bylo prokázáno, že ideální rozpouštědla jsou pouze DMSO a EtOH. EtOH je jasně preferován jako polární a protické rozpouštědlo vs. DMSO jako polární aprotické rozpouštědlo. Ve dvou rozpouštědlech probíhala protodesilylace spontánně. Bagley také prokázal, že kyselá katalýza umožňuje cyklodehydratace pokračovat při nižší teplotě.

Kyselá katalýza také zvyšuje přídavek konjugátu. Široká škála enaminů reagovala s ethinylketony v směsi (5: 1) směsi kyseliny octové a toluenu za vzniku funkcionalizovaných pyridinů v jednom kroku ve vynikajících výtěžcích.

Po úspěchu Brønstedtovy kyseliny katalýzy chemik zkoumal schopnost Lewisových kyselinových katalyzátorů. Nejlepší podmínky Používají se buď 20 mol% yterbium triflátu nebo 15 mol% bromidu zinečnatého v refluxujícím toluenu. I když nebylo provedeno mechanistický výzkum, můžeme předpokládat, že koordinace katalyzátorem urychluje cyklodehydratace, Michaelova přidání a kroky izomerace.

Nevýhodou je omezená kompatibilita s kyselinou citlivými substráty. Například kyslíkem katalyzovaný rozklad enaminů probíhá s kyanovou a terc-butylester jako skupiny, které odebírají elektron. Dalším mírným řešením je použití ionexové reagencie Amberlyst-15, která snáší terc-butylestery.

Vzhledem k tomu, že enaminy nejsou snadno dostupné a aby se zlepšilo zařízení procesu, provedla se reakce s 3-komponentou za použití octanu amonného jako zdroje aminoskupiny. V tomto efektivním postupu se generuje enamin in situ který reaguje s přítomným alkynonem.

V první studii ZnBr2 a AcOH byly použity jako extra katalyzátory s toluenem jako rozpouštědlem. Nicméně bylo prokázáno, že substráty citlivé na kyselinu vždy reagují v mírném prostředí s EtOH jako rozpouštědlem.

Chichibabin Synthesis

Syntéza chichibabin pyridinu byla nejprve popsána v 1924 a je stále hlavní aplikací v chemickém průmyslu. Jedná se o reakci vytvářející kroužek, která zahrnuje kondenzační reakci aldehydů, ketonů, a, p-nenasycených karbonylových sloučenin. Navíc celková forma reakce může zahrnovat jakoukoliv kombinaci výše uvedených produktů v čistém amoniaku nebo jeho derivátech.

Tvorba Pyridin

Kondenzace formaldehydu a acetaldehydu

Formaldehyd a acetaldehyd jsou hlavně zdroji nesubstituovaného pyridinu. Přinejmenším jsou cenově dostupné a docela přístupné.

  1. První krok zahrnuje tvorbu akroleinu z formaldehydu a acetaldehydu kondenzaci Knoevenagel.
  2. Konečný produkt se pak kondenzuje z akroleinu s acetaldehydem a amoniakem za vzniku dihydropyridinu.
  3. Konečným postupem je oxidační reakce s katalyzátorem v pevném stavu za vzniku pyridinu.
  4. Výše uvedená reakce se provádí v plynné fázi s teplotním rozmezím 400-450 ° C. Vzniklá sloučenina sestává z pyridinu, pikolinu nebo jednoduchých methylovaných pyridinů a lutidinu. Avšak kompozice je předmětem použití katalyzátoru a do určité míry se liší podle požadavků výrobce. Typicky je katalyzátorem sůl přechodného kovu. Nejběžnějšími jsou fluorid manganitý (II) nebo fluorid kademnatý (II), ačkoliv alternativy mohou být sloučeniny thallium a kobaltu.
  5. Pyridin se získává z vedlejších produktů ve vícestupňovém procesu. Hlavním omezením syntézy chichibabin pyridinu je jeho nízký výtěžek, který se překládá na přibližně 20% konečných produktů. Z tohoto důvodu jsou nemodifikované formy této sloučeniny méně rozšířené.

Bönnemannova cyklizace

Bönnemannova cyklizace je tvorba trimeru z kombinace dvou částí molekuly acetylenu a části nitrilu. Ve skutečnosti je tento proces modifikací syntézy Reppe.

Mechanismus je usnadněn buď teplem z vyšších teplot a tlaku, nebo fotochemickou cykloadicí. Když je aktivován světlem, Bönnemannova cyklizace vyžaduje CoCp2 (cyklopentadienyl, 1,5-cyklooktadien), který působí jako katalyzátor.

Tento způsob může produkovat řetězec derivátů pyridinu v závislosti na použitých sloučeninách. Například acetonitril poskytne 2-methylpyridin, který se může podrobit dealkylaci za vzniku pyridinu.

Jiné metody

Kröhnkeova syntéza pyridinu

Tato metoda používá pyridin jako činidlo, i když nebude zahrnuto do konečného produktu. Naproti tomu reakce vytvoří substituované pyridiny.

Při reakci s a-bromestery bude pyridin podroben Michaelově reakci s nenasycenými karbonyly za vzniku substituovaného pyridinu a bromidu pyridiového. Reakce se zpracuje s octanem amonným v mírných podmínkách 20-100 ° C.

Ciamician-Dennstedtova přeskupení

To zahrnuje rozšíření kruhu pyrrol s dichlorkarbeny, čímž vzniká 3-chlorpyridin.

Gattermann-Skita syntéza

Při této reakci reaguje malonátová sůl s dichlormethylaminem v přítomnosti báze.

Bohatější syntéza pyridinu

Reakce pyridiny

Následující reakce lze předvídat pro pyridiny z jejich elektronické struktury:

  1. Tento heteroatom činí pyridiny velmi nereaktivní vůči normálním elektrofilním aromatickým substitučním reakcím. Naopak, pyridiny jsou náchylné k nukleofilnímu útoku. Pyridiny podstupují elektrofilní substituční reakce (SEAr) mnohem více neochotně, ale nukleofilní substituci (SNAr) mnohem rychleji než benzen.
  2. Elektrofilní činidla napadají s výhodou Natom a na atomech bC, zatímco nukleofilní činidla preferují atomy a- a C-atomů.

Elektrofilní přídavek na dusíku

Při reakcích, které zahrnují tvorbu vazby za použití dvojice elektronů na kruhu dusíku, jako je protonace a kvarternizace, se pyridiny chovají stejně jako terciární alifatické nebo aromatické aminy.

Když pyridin reaguje jako báze nebo nukleofil, vytváří pyridinový kation, ve kterém je aromatický sextet zachován a dusík získá formální pozitivní náboj.

Protonace na dusíku

Pyridiny tvoří krystalické, často hygroskopické soli s většinou protických kyselin.

Nitrace na dusíku

K tomu dochází snadno reakcí pyridinů s nitronovými solemi, jako je nitroniumtetrafluorborát. Protické nitrační činidla, jako je kyselina dusičná, samozřejmě vedou výhradně k N-protonaci.

Acylace na dusíku

Chloridy kyseliny a arylsulfonové kyseliny rychle reagují s pyridiny, které vytvářejí v roztoku roztoky 1-acyl- a 1-arylsulfonylpyridiniové soli.

Alkylhalogenidy a sulfáty reagují snadno s pyridiny za vzniku kvartérních pyridiniových solí.

Nukleofilní substituce

Na rozdíl od benzenu může být početné nukleofilní substituce účinně a účinně udržováno pyridinem. Je to proto, že kruh má mírně nižší elektronovou hustotu atomů uhlíku. Tyto reakce zahrnují nahrazení odstraněním hydridového iontu a eliminačními přídavky za účelem získání meziproduktu arynu a obvykle pokračují do polohy 2 nebo 4.

Samotný pyridin nemůže vést k tvorbě několika nukleofilních substitucí. Nicméně modifikace pyridinu bromem, fragmenty kyseliny sulfonové, chloru a fluoru může vést k odstupující skupině. Tvorba sloučenin organolithia může být získána z nejlepší odštěpitelné skupiny fluoru. Při vysokém tlaku mohou nukleofilní látky reagovat s alkoxidy, thioláty, aminy a sloučeniny amoniaku.

Málo heterocyklický reakce mohou nastat kvůli použití špatné odstupující skupiny, jako je hydridový iont. Pyridinové deriváty v poloze 2 mohou být získány prostřednictvím Chichibabinové reakce. 2-aminopyridin může pokračovat, pokud se jako nukleofil použije amid sodný. Molekula vodíku vzniká, když se protony aminoskupiny spojují s hydridovým iontem.

Podobně jako benzen, pyridiny meziprodukty, jako je heteroaryn, mohou být získány nukleofilními substitucemi na pyridinu. Použití silných alkalických látek, jako je například terc-butoxid sodíku a draslíku, může pomáhat zbavit se derivátů pyridinu při použití práva opouštějícího skupinu. Po zavedení nukleofilu do trojité vazby snižuje selektivitu a vede ke vzniku směsi, která má dvě možné adukty.

Elektrofilní substituce

Několik pyridinových elektrofilních substitucí může buď pokračovat až do určitého bodu nebo ne pokračovat úplně. Na druhé straně může být heteroaromatický prvek stimulován funkcionalizací darování elektronů. Friedel-Craftsová alkylace (acylace) je příkladem alkylace a acylace. Tento aspekt nepodléhá pyridinu, protože vede k přidání atomu dusíku. Substituce se vyskytují hlavně v třípolohové poloze, která je jedním z atomů uhlíku bohatých na elektrony umístěných v kruhu, takže je náchylná k elektrofilnímu přidávání.

Struktura pyridin-N-oxidu

Elektrofilní substituce mohou mít za následek změnu polohy pyridinu v poloze 2 nebo 4 v důsledku nepříznivé komplexní intenzivní reakce. Nicméně experimentální metody mohou být použity při elektrofilní substituci pyridin-N-oxidu. Později je následován deoxygenací dusíku. Proto je známo, že zavedení kyslíku snižuje hustotu dusíku a zvyšuje substituci v poloze 2 a uhlíku v poloze 4.

Je známo, že sloučeniny dvojmocné síry nebo trojmocného fosforu jsou snadno oxidovány, a proto se používají hlavně k odstranění atomu kyslíku. Trifenylfosfinoxid je sloučenina, která vzniká po oxidaci trifenylfosfinového činidla. Je to další činidlo, které lze použít k odstranění atomu kyslíku z jiného prvku. Následující informace popisují, jak běžná elektrofilní substituce reaguje s pyridinem.

Přímá nitridace pyridinu vyžaduje určité drsné podmínky a obecně má jen málo výnosů. Reakce pentoxidu dusíku s pyridinem v přítomnosti sodíku může vést k tvorbě 3-nitropyridinu. Deriváty pyridinu mohou být získány nitrací nitroniumtetrafluorborátu (NO2BF4) sbalením atomu dusíku stericky a elektronicky. Syntéza dvou sloučenin 6-dibrompyridinu může vést k tvorbě 3-nitropyridinu po odstranění atomů bromu.

Přímá nitrace je považována za pohodlnější než přímá sulfonace pyridinu. Varem pyridinu při teplotě 320 ° C může vzniknout kyselina pyridin-3-sulfonová rychleji než vroucí kyselina sírová při stejných teplotách. Přidání sírového prvku k atomu dusíku lze získat reakcí skupiny SO3 v přítomnosti síranu rtuťnatého (II), který působí jako katalyzátor.

Přímá chlorace a bromace mohou pokračovat i na rozdíl od nitrací a sulfonace. 3-brompyridin lze získat reakcí molekulárního bromu v kyselině sírové při teplotě 130 ° C s pyridinem. Po chloraci může být výsledek 3-chlorpyridinu nízká za přítomnosti chloridu hlinitého, který působí jako katalyzátor při 100 ° C. Přímá reakce halogenu a palladia (II) může vést jak k 2-brompyridinu, tak k 2-chlorpyridinu.

Aplikace Pyridinu

Jednou ze surovin, které jsou pro chemické továrny velmi důležité, je pyridin. Ve společnosti 1989 celková produkce pyridinu na celém světě činila 26K tun. Od 1999 se 11 z největších výrobních závodů na výrobu pyridinu nacházelo v Evropě. Hlavní výrobci pyridinu zahrnovali společnosti Koei Chemical, Imperial Chemical Industries a Evonik Industries.

V počátcích 2000 se produkce pyridinu zvýšila o vysokou marži. Například samotná pevninská Čína zasáhla roční výrobní kapacitu 30,000 tun. Dnes společný podnik mezi USA a Čínou vede k nejvyšší produkci pyridinu na světě.

Pesticidy

Pyridin se používá hlavně jako prekurzor dvou herbicidů diquat a paraquat. Při přípravě fungicidů na bázi pyrithionu se jako bazická sloučenina používá pyridin.

Reakce mezi Zinkem a pyridinem vede k výrobě dvou sloučenin - laurylpyridinium a cetylpyridinium. Vzhledem k jejich antiseptickým vlastnostem se obě sloučeniny přidávají do výrobků pro zubní a ústní hygienu.

Útok alkylačního činidla na pyridin vede k příkladu N-alkylpyridiniových solí, jako je například cetylpyridiniumchlorid.

Paraquat Synthesis

Solventní

Další použití, ve kterém se používá pyridin, je v Knoevenagelových kondenzacích, přičemž se používá jako nízkoreaktivní polární a zásadité rozpouštědlo. Pyridin je obzvláště ideální pro dehalogenaci, kde slouží jako báze eliminační reakce, zatímco vazba výsledného halogenovodíku za vzniku pyridinové soli.

Při acylacích a esterifikaci aktivuje pyridin anhydridy nebo halogenidy karboxylových kyselin. Ještě účinnější v těchto reakcích jsou 4- (1-pyrrolidinyl) pyridin a 4-dimethylaminopyridin (DMAP), což jsou pyridinové deriváty. Při kondenzačních reakcích je typicky používán pyridin jako báze.

Tvorba pyridinia pomocí eliminační reakce s pyridinem

Pyridin je také důležitou surovinou v textilním průmyslu. Kromě toho, že je používán jako rozpouštědlo při výrobě pryže a barviv, používá se také ke zvýšení kapacity sítě bavlny.

US Food and Drug Administration schvaluje přidání pyridinu v malých množstvích do potravin, aby jim poskytla hořkou chuť.

V roztocích je detekční práh pyridinu kolem 1-3 mmol-1 (79-237 mg · L-1). Jako báze může být pyridin použit jako činidlo Karl Fischera. Nicméně imidazol se obvykle používá jako náhražka pyridinu, neboť (imidazol) má příjemný zápach.

Předchůdce piperidinu

Pyridinová hydrogenace s katalyzátorem na bázi ruthenia, kobaltu nebo niklu při vysokých teplotách vede k výrobě piperidinu. Jedná se o nezbytný dusíkatý heterocykl, který je životně důležitým syntetickým stavebním kamenem.

Speciální reagencie založené na pyridinu

Ve společnosti 1975 vytvořili William Suggs a James Corey pyridiniumchlorochromát. Aplikuje se na oxidaci sekundárních alkoholů na ketony a primární alkoholy na aldehydy. Pyridiniumchlorochromát se obvykle získává, když se k roztoku koncentrované kyseliny chlorovodíkové a kyseliny chromové přidá pyridin.

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

S chromylchloridem (CrO2Cl2), která je karcinogenní, je třeba hledat alternativní cestu. Jedním z nich je použití pyridiniumchloridu pro zpracování oxidu chromitého.

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

Sarbitové činidlo (komplex oxidu chromitého s pyridinovým heterocyklem v pyridinu), pyridiniumchlorochromát (PCC), Cornforthovo činidlo (pyridinium dichromát, PDC) a Collinsovo činidlo (komplex oxidu chromitého s pyridinem heterocyklus v dichlormethanu) jsou srovnatelné chrom-pyridinové sloučeniny. Rovněž se používají pro oxidaci, jako je přeměna sekundárních a primárních alkoholů na ketony.

Reagencie Sarret a Collins jsou nejen těžké připravit, ale jsou také nebezpečné. Jsou hygroskopické a jsou náchylné k vznícení během procesu přípravy. V důsledku toho bylo doporučeno použití PDC a PCC. Zatímco obě činidla byla silně použita v přípravcích 70 a 80, v současné době se zřídka používají kvůli jejich toxicitě a potvrzené karcinogenitě.

Struktura katalyzátoru Crabtree

V koordinační chemii je pyridin široce používán jako ligand. Je derivován, stejně jako jeho derivát 2,2'-bipyridin, který obsahuje molekuly 2 pyridinu připojené jednoduchou vazbou a terpyridin, molekula 3 pyridinových kruhů spojených dohromady.

Silnější Lewisova báze může být použita jako náhrada za pyridinový ligand, který je součástí kovového komplexu. Tato charakteristika je využívána při katalýze polymeračních a hydrogenačních reakcí za použití například katalyzátoru Carabtree. Pyridinový lingard, který je během reakce nahrazen, je obnoven po jeho dokončení.

Reference

Nomenklatura organické chemie: Doporučení IUPAC a preferovaná jména 2013 (Modrá kniha). Cambridge: Královská společnost chemie. 2014. str. 141.

Anderson, T. (1851). "Výrobky ze sušené destilace živočišných látek". Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). "Pyridin". V Paquette, L. Encyklopedie reagencií pro organickou syntézu. e-EROS (Encyklopedie reagencií pro organickou syntézu). New York: J. Wiley & Sons.

Behr, A. (2008). Angewandte homogenní Katalyse. Weinheim: Wiley-VCH. str. 722.