Blog

Sve što trebate znati o piridinima

Sve što trebate znati o piridinima

Sve što trebate znati pirtdt

Piridin je osnovni heterociklički spoj azin vrste. Piridin je izveden iz benzena zamjenom CH skupine N-atomom. Struktura piridina je analogna strukturi benzena jer je povezana s zamjenom CH skupine za N. Glavne razlike uključuju:

  1. Odstupanje od savršene regularne šesterokutne geometrije zbog prisustva heteroatoma, specifične, kraće veze dušik-ugljik,
  2. Zamjena vodikovog atoma u ravnini prstena s nepodijeljenim elektronskim parom, kao u ravnini prstena, koji se nalazi u sp2 hibridnom orbitalu, a koji nisu uključeni u aromatski p-elektronski sekstet. Taj dušik usamljeni par upućuje na osnovna svojstva piridina,
  3. Jaka trajna dipola praćena višoj elektronegativnosti dušikovog atoma u usporedbi s atomom ugljika.

Piridinski prsten nastaje u nekoliko ključnih spojeva, uključujući vitamine niacin, piridoksin, kao i azine.

Škotski kemičar Thomas Anderson izumio je piridin u 1849 kao jedan od spojeva koji čine koštano ulje. Nakon dvije godine, Anderson je pročišao čisti piridin frakcijskom destilacijom koštanog ulja. Vrlo je zapaljiva, bezbojna, vodotopljiva, slabo alkalna tekućina s neugodnim prepoznatljivim mirisom ribe.

Piridin se uvijek koristi kao prekursor farmaceutika i agrokemikalija i također je ključni reagens i otapalo. Piridin se može dodati etanolu ako ga želite učiniti nepodobnim za ljudsku prehranu. Također je primjenjiv u proizvodnji antihistaminika droga mepyramine i tripelennamine, in vitro sinteza DNA, u proizvodnji sulfapiridina (lijek za liječenje virusnih infekcija i bakterijskih infekcija), kao i baktericidi, herbicidi i repelenti vode.

Većina kemijskih spojeva, iako nije proizvedena iz piridina, sadrže strukturu prstena. Takvi spojevi uključuju B-vitamine kao što su piridoksin i niacin, nikotin, biljni proizvodi koji sadrže dušik i lijek protiv tuberkuloze poznat kao izoniazid. Povijesno je proizvodnja piridina kao nusprodukt rasplinjavanja ugljena i iz katrana ugljena. Međutim, povećanje potražnje za piridinom dovelo je do razvoja ekonomskih metoda proizvodnje od amonijaka i acetaldehida, a preko 20,000 tona proizvodi se godišnje širom svijeta.

Nomenklatura piridin

Sustavno ime piridina, prema Hantzsch-Widman nomenklaturi koju je predložio IUPAC, jest azin, Ali sustavna imena za osnovne spojeve rijetko se koriste; Umjesto toga, nomenklatura heterocikla slijedi utvrđena uobičajena imena. IUPAC ne potiče korištenje azin kada se odnosi na piridin.

Brojčavanje atoma prstena u azinu započinje na dušiku. Alokacija položaja slovom grčke abecede (α-γ) i nomenklatura zamjenskog oblika tipičnog za homoaromatske sustave (para orto, meta,) ponekad se koriste. Ovdje α, β i γ odnose se na dva, tri i četiri mjesta, respektivno.

Sustavno ime derivata piridina je piridinil, gdje broj prethodi supstituiranom položaju atoma, a prethodi ga broj. Ali povijesno ime piridil preporučuje IUPAC i široko se koristi umjesto sustavnog naziva. Derivat koji nastaje dodavanjem elektrofila u dušikov atom poznat je kao piridinij.

4-brompiridin

2,2'-bipiridm-

Dipikolinska kiselina (piridin-2,6-dikarboksilna kiselina)

Osnovni oblik piridinijevog kationa

Proizvodnja piridina

Piridin je dobiven kao nusprodukt rasplinjavanja ugljena ili ekstrahiran iz katrana ugljena. Ova metoda bila je neučinkovita i zahtijevala radne snage: katran ugljika ima oko 0.1 posto piridina, pa je potrebno pročišćavanje više stupnjeva, što je dodatno smanjuje proizvod. Danas se većina piridina sintetski proizvodi pomoću nekoliko reakcija na ime, a najčešće se raspravlja ovdje dolje.

Sinteza piridina preko Bohlmann-Rahtz

Sinteza piridina putem Bohlmann-Rahtz omogućuje generiranje supstituiranih piridina u dva glavna koraka. Kondenzacija enamina upotrebom etinilketona rezultira aminodijskim međuproduktom koji nakon toplinske inducirane izomerizacije prolazi kroz ciklodehidraciju kako bi se proizveo 2,3,6-trisupstituirani piridini.

Sinteza piridina pomoću mehanizma Bohlmann-Rahtz

Mehanizam je povezan s popularnom Hantzsch dihidropiridinskom sintezom gdjena licu mjestagenerira enamin i enon vrsta proizvode dihidropiridine. Iako je Bohlmann-Rahtz sinteza vrlo svestrana, pročišćavanje srednjih i nevjerojatno visokih temperatura potrebnih za ciklodehidraciju su izazovi koji su ograničili njegovu korisnost. Većina izazova je nadvladana, čineći Bohlmann-Rahtz sintezu bitnijima u pirtdt generacija.

Iako nije provedena nikakva mehanička istraživanja, međuspojevi mogu biti karakterizirani pomoću H-NMR. To pokazuje da glavni proizvod prvog Michael Addition i slijedećeg prijenosa protona može biti 2Z-4Eheptadien-6-on koji se ekstrahira i pročisti kromatografijom na koloni.

Zbog toga su potrebne nevjerojatno visoke temperature ciklodehidracije Z/E izomerizacije koje su preduvjet za heteroanalizaciju.

Nedavno su razvijene nekoliko metoda koje omogućuju sintezu tetra i trisupstituiranog piridina u jednom koraku. Umjesto korištenja butynona kao supstrata, Bagley je ispitivao različita otapala za konverziju manje hlapljivog i jeftinog 4- (trimetilsilil) but-3-yn-2-one. Pokazano je da su samo DMSO i EtOH idealna otapala. EtOH je očito favoriziran kao polarno i protično otapalo prema DMSO kao polarno neprotonsko otapalo. U dva otapala protodesililacija je nastala spontano. Bagley je također pokazao da kiselinska kataliza omogućuje da ciklodehidracija nastavi na nižoj temperaturi.

Kisela kataliza također pojačava dodavanje konjugata. Širok raspon enamina reagirao je s etinil ketonima u (5: 1) smjesi octene kiseline i toluena da se dobiju funkcionalizirani piridini u jednom koraku uz odlične prinose.

Nakon uspjeha katalizatora Brønstedt, kemičar je istraživao sposobnost katalizatora Lewisove kiseline. Najbolji uvjeti Koristiti bilo dvadeset mol% -tiritrija triflata ili petnaest mol% cinkova bromida u refluksu toluena. Iako mehanistička istraživanja nisu učinjena, možemo pretpostaviti da koordinacija katalizatora ubrzava ciklodehidraciju, Michael Addition i korake izomerizacije.

Nedostatak je ograničena kompatibilnost s podlogama osjetljivim na kiseline. Na primjer, kiselinska katalizirana razgradnja enamina odvija se s cijano i tert-butilestera kao skupina koja privlači elektrone. Još jedna blaga alternativa je primjena Amberlyst-15 ionskog izmjenjivača koji je tolerantan tert-butylesters.

Budući da enamini nisu lako dostupni i da se poboljša pogon procesa, reakcija 3 komponente je provedena primjenom amonijevog acetata kao izvora amino skupine. U ovom učinkovitom postupku nastaje enamin na licu mjesta koji reagira s alkinonom prisutnim.

U prvom ispitivanju, ZnBr2 i AcOH su primijenjeni kao dodatni katalizatori s toluenom kao otapalom. Međutim, od tada je pokazano da podlozi osjetljivi na kiselinu uvijek reagiraju u blagom okolišu s EtOH kao otapalom.

Chichibabin Sinteza

Chichibabin sinteza piridina je prvi put prijavljena u 1924 i još uvijek je glavna primjena u kemijskoj industriji. To je reakcija koja stvara prsten, koja uključuje reakciju kondenzacije aldehida, ketona, a, P-nezasićenih karbonilnih spojeva. Štoviše, ukupni oblik reakcije može uključivati ​​bilo koju kombinaciju gore navedenih produkata u čistom amonijaku ili njegovim derivatima.

Stvaranje Piridin

Kondenzacija formaldehida i acetaldehida

Formaldehid i acetaldehid uglavnom su izvori nesupstituiranog piridina. Barem, oni su pristupačni i vrlo pristupačni.

  1. Prvi korak uključuje formiranje akroleina iz formaldehida i acetaldehida kroz Knoevenagelovu kondenzaciju.
  2. Krajnji proizvod se zatim kondenzira iz akroleina s acetaldehidom i amonijakom, formirajući dihidropiridin.
  3. Krajnji postupak je reakcija oksidacije s katalizatorom čvrstog stanja da se dobije piridin.
  4. Gornja reakcija se provodi u plinskoj fazi s temperaturnim rasponom od 400-450 ° C. Stvoreni spoj sastoji se od piridina, pikolina ili jednostavnih metiliranih piridina i lutidina. Međutim, smjesa je podložna katalizatoru u upotrebi i do određene mjere, ona se razlikuje od zahtjeva proizvođača. Tipično, katalizator je prijelazna meta sol. Najčešći su mangan (II) fluorid ili kadmij (II) fluorid, iako mogu biti alternative talij i kobalt spojevi.
  5. Piridina se dobiva iz nusproizvoda u višestupnjevitom postupku. Glavno ograničenje sinteze chikibabinske piridina je njen mali prinos, prevođenje na oko 20% krajnjih produkata. Iz tog razloga, nepromijenjeni oblici ovog spoja manje su prisutni.

Bönnemannova ciklizacija

Bönnemannova ciklizacija je stvaranje trimer iz kombinacije dva dijela acetilenske molekule i dijela nitrila. Zapravo, postupak je modifikacija Reppe sinteze.

Mehanizam se olakšava ili toplinom iz povišenih temperatura i tlaka ili putem foto-inducirane cikloadicije. Kada se aktivira svjetlom, Bönnemannova ciklizacija zahtijeva CoCp2 (ciklopentadienil, 1,5-ciklooktadien) da djeluje kao katalizator.

Ova metoda može proizvesti lanac derivata piridina ovisno o upotrijebljenim spojevima. Na primjer, acetonitril će dati 2-metilpiridin, koji može proći kroz dealkilaciju da nastane piridin.

Ostale metode

Kröhnke sinteza piridina

Ova metoda koristi piridin kao reagens, iako neće biti uključena u krajnji proizvod. Suprotno tome, reakcija će generirati supstituirane piridine.

Kada reagira s a-bromoestera, piridin će proći sličnu Michaelovu reakciju s nezasićenim karbonilima kako bi se formirao supstituirani piridin i piridin bromid. Reakcija se tretira sa acetonom amonijaka u uvjetima blage 20-100 ° C.

Pregradnja Ciamician-Dennstedt

To podrazumijeva širenje prstena pirola s diklorokarbenom koji tvori 3-kloropiridin.

Sinteza Gattermann-Skita

U ovoj reakciji, malonatni ester sol reagira s diklorometilaminom u prisutnosti baze.

Sinteza Boger piridina

Reakcije pirtdt

Sljedeće reakcije mogu se predvidjeti za piridine iz njihove elektroničke strukture:

  1. Heteroat čini piridine vrlo nereaktivno u normalnim elektrofilnim aromatskim supstitucijskim reakcijama. S druge strane, piridini su osjetljivi na nukleofilni napad. Piridini prolaze elektrofilne supstitucijske reakcije (SEAr) više nevoljko nego nukleofilnu supstituciju (SNAr) lakše nego benzen.
  2. Elektrofilni reagensi napadaju poželjno na Natom i na bC-atomima, dok nukleofilni reagensi preferiraju a- i C-atome.

Elektrofilno dodavanje u dušiku

U reakcijama koje uključuju formiranje veze upotrebom usamljenih para elektrona na prstenu dušika, kao što je protoniranje i kvaterniziranje, piridini se ponašaju baš kao i tercijarne alifatske ili aromatske amine.

Kada piridin reagira kao baza ili nukleofil, tvori piridinijev kation u kojem se zadržava aromatski sekstet, a dušik dobiva formalni pozitivni naboj.

Protonacija u dušiku

Piridini tvore kristalne, često higroskopne, soli s većim protonskim kiselinama.

Nitriranje u dušiku

To se lako javlja reakcijom piridina s nitronijevim solima, kao što je nitronijev tetrafluoroborat. Protic nitriranje, kao što je nitratna kiselina, naravno, dovodi isključivo N-protonaciju.

Acilacija kod dušika

Kiseli kloridi i arilsulfonske kiseline brzo reagiraju s piridinsima koji stvaraju soli 1-acil i 1-arilsulfonilpiridinijeve soli u otopini.

Alkil halogenidi i sulfati reagiraju lako s piridinom, dajući kvaternarne piridinijeve soli.

Nukleofilne supstitucije

Za razliku od benzena, brojne nukleofilne supstitucije mogu se učinkovito i učinkovito podvrgnuti piridinom. To je zato što prsten ima nešto nižu gustoću elektrona ugljikovih atoma. Ove reakcije uključuju zamjene s uklanjanjem hidridnog iona i dodavanjem eliminacije kako bi se dobila srednja arterijska konfiguracija i obično nastavljaju na položaju 2 ili 4.

Samo piridin ne može rezultirati stvaranjem nekoliko nukleofilnih supstitucija. Međutim, modifikacija piridina s bromom, fragmentima sulfonske kiseline, klorom i fluorom može rezultirati izlaznom skupinom. Nastajanje organskih litijevih spojeva može se dobiti iz najbolje odlazeće skupine fluora. Na visoki tlak, nukleofilni mogu reagirati s alkoksidima, tiolatom, aminom i spojevima amonijaka.

Malo heterociklički reakcije mogu nastati zbog korištenja slabe izlazne skupine kao što je hidridni ion. Derivati ​​piridina na položaju 2 mogu se dobiti Chichibabin reakcijom. 2-aminopiridin se može nastaviti postići kada se kao nukleofil koristi natrij amid. Molekula vodika nastaje kada se protoni amino skupine kombiniraju s hidridnim ionom.

Slično kao i benzen, pirtdt međuprodukti poput heteroarena mogu se dobiti nukleofilnim supstitucijama u piridin. Korištenje jakih lužina kao što je natrijev i kalijev tert-butoksid može pomoći da se oslobode piridinskih derivata kada koristite pravo izlazeći iz skupine. Nakon uvođenja nukleofila u trostruku vezu smanjuje selektivnost i dovodi do stvaranja smjese koja ima dva moguća adukta.

Elektrofiličke zamjene

Nekoliko piridinske elektrofilne supstitucije može se nastaviti do neke točke ili se ne nastaviti u potpunosti. S druge strane, heteroaromatski element može biti stimuliran kroz funkcionalizaciju elektronske donacije. Alkiliranje Friedel-Crafts (acilacija) je primjer alkiliranja i acilacija. Ovaj aspekt ne prolazi kroz piridin, jer dovodi do dodavanja dušikovog atoma. Zamjene se najčešće odvijaju u tri položaju, koji je jedan od atoma ugljika bogatih elektronima smještenim u prstenu, što ga čini sklonom elektrofilnom dodavanju.

Struktura piridin N-oksida

Elektrofilne supstitucije mogu rezultirati promjenom položaja piridina na položaju 2 ili 4 zbog negativne σ kompleksne snažne reakcije. Međutim, eksperimentalne metode mogu se koristiti uz elektrofilnu supstituciju na piridin N-oksidu. Kasnije ga slijedi deoksigeniranje dušikovog atoma. Stoga je poznato da se uvođenje kisika smanjuje gustoću na dušiku i poboljšava supstituciju na položaju 2 i na ugljicima na položaju 4.

Poznato je da spojevi dvovalentnog sumpora ili trovalentnog fosfora lako oksidiraju i stoga se uglavnom koriste za uklanjanje atoma kisika. Trifenilfosfinoksid je spoj koji nastaje nakon oksidacije trifenilfosfmskog reagensa. To je još jedan reagens koji se može koristiti za oslobađanje atoma kisika iz drugog elementa. Dolje navedene informacije opisuju kako obična elektrofilna supstitucija reagira s piridinom.

Izravna nitriranost piridina zahtijeva određene otežane uvjete i općenito ima malo prinosa. Reakcija dinitrogen pentoksida s piridinom u prisutnosti natrija može rezultirati stvaranjem 3-nitropiridina. Derivati ​​piridina mogu se dobiti nitriranjem nitronijevog tetrafluoroborata (NO2BF4) biranjem dušikovog atoma stereikisht i elektronički. Sinteza dvaju spojeva 6-dibromo piridina može rezultirati stvaranjem 3-nitropiridina nakon uklanjanja atoma broma.

Smatra se da je izravna nitracija ugodnija od izravne sulfonacije piridina. Kipčanje piridina kod 320 ° C može rezultirati piridin-3-sulfonskom kiselinom brže od kipuće sumporne kiseline pri istim temperaturama. Dodavanje elementa sumpora na atom dušika može se dobiti reakcijom SO3 skupine u prisutnosti žive (II) sulfata koji djeluje kao katalizator.

Direktna klorinacija i brominacija mogu se nastaviti i za razliku od nitriranja i sulfonacije. 3-bromopiridin se može dobiti reakcijom molekularnog bromina u sumpornoj kiselini kod 130 ° C s piridinom. Nakon kloriranja, rezultat 3-kloropiridina može biti nizak u prisutnosti aluminij klorida koji djeluje kao katalizator kod 100 ° C. Izravna reakcija halogen i paladij (II) može rezultirati oba 2-bromopiridina i 2-kloropiridina.

Primjene piridina

Jedan od sirovina koji su vrlo važni za kemijske tvornice je piridin. U 1989, ukupna proizvodnja piridina širom svijeta bila je 26K tona. Od 1999a, 11 iz 25 najvećih mjesta za proizvodnju piridina bilo je smješteno u Europi. Glavni proizvođači piridina su Koei Chemical, Imperial Chemical Industries i Evonik Industries.

U ranim 2000s, proizvodnja piridina povećana je s visokom marginom. Na primjer, kontinentalna Kina imala je godišnji proizvodni kapacitet od 30,000 tona. Danas, zajednički pothvat između SAD-a i Kine rezultira najvećom proizvodnjom piridina na svijetu.

Pesticidi

Piridin se uglavnom koristi kao prekursor na dva herbicida dikvata i paraquata. U pripremi fungicida na bazi piritiona, piridin se koristi kao bazični spoj.

Reakcija između Zincke i piridina rezultira proizvodnjom dva spoja - laurilpiridinija i cetilpiridina. Zbog svojih antiseptičkih svojstava, dva su spoja dodana u zubne i oralne njege.

Napad alkilirajućeg sredstva na piridin rezultira N-alkilpiridiniumskim solima, primjerice cetilpiridinijev klorid.

Paraquat Sinteza

Otapalo

Druga primjena u kojoj se upotrebljava piridin je u Knoevenagel kondenzacijama, pri čemu se koristi kao nisko reaktivni, polarno i bazično otapalo. Piridin je naročito idealan za dehalogeniranje, gdje služi kao baza reakcije eliminacije, a vezanje rezultirajućeg vodikovog halida da nastane piridinijeva sol.

U acilacijama i esterifikacijama, piridin aktivira anhidride ili halogenide karboksilne kiseline. Još više aktivni u tim reakcijama su 4- (1-pirolidinil) piridin i 4-dimetilaminopiridin (DMAP), koji su derivati ​​piridina. U reakcijama kondenzacije, piridin se tipično primjenjuje kao baza.

Formiranje piridina kroz reakciju eliminacije s piridinom

Piridin je također važan sirovina u tekstilnoj industriji. Osim što se primjenjuje kao otapalo u proizvodnji gume i boja, koristi se i za poboljšanje kapaciteta pamuka.

Američka uprava za hranu i lijekove odobrava dodavanje piridina u malim količinama namirnicama kako bi im pružio gorak okus.

U otopinama, detekcijski prag piridina je oko 1-3 mmol / L-1 (79-237 mg · L-1). Budući da je baza, piridin se može koristiti kao Karl Fischer reagens. Međutim, imidazol se obično koristi kao zamjena za piridin, jer (imidazol) ima ugodan miris.

Prekursor za piperidin

Piridinska hidrogenacija s katalizatorom na bazi rutenita, kobalta ili nikla na visokim temperaturama rezultira proizvodnjom piperidina. Ovo je esencijalni heterocikl za dušik koji je vitalni sintetički građevni blok.

Specijalni reagensi na bazi piridina

U 1975, William Suggs i James Corey razvili su piridinium klorkromat. Primjenjuje se za oksidaciju sekundarnih alkohola na ketone i primarne alkohole do aldehida. Pyridinium klorkromat se obično dobiva kada se piridin doda u otopinu koncentrirane klorovodične i kromne kiseline.

C5H5N + HCl + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3cl]

S kromil kloridom (CrO2Cl2) su kancerogene, trebalo je tražiti alternativni put. Jedan od njih je korištenje piridinijevog klorida za liječenje kromovog (VI) oksida.

[C5H5NH+] Cl- + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3cl]

Sarret reagens (kompleks kroma (VI) oksida s piridin heterociklom u piridinu), piridinium klorkromat (PCC), Cornforthov reagens (piridinijev dikromat, PDC) i Collins reagens (kompleks kromovog oksida s piridinom heterocikl u diklormetanu) su usporedivi spojevi krom-piridina. Također se primjenjuju za oksidaciju, kao što je pretvorba sekundarnih i primarnih alkohola u ketone.

Reagensi Sarret i Collins nisu neobično pripremljeni, već su i opasni. Oni su higroskopni i osjetljivi su na zapaljivanje tijekom postupka pripreme. Zbog toga je preporučeno korištenje PDC i PCC. Dok su dva reagensa jako korištena u 70 i 80, rijetko se upotrebljavaju trenutno zbog njihove toksičnosti i potvrđene kancerogenosti.

Struktura Crabtreeovog katalizatora

U koordinacijskoj kemiji, piridin se opsežno koristi kao ligand. Derivat je, kao i njegov derivat 2,2'-bipiridin, koji se sastoji od 2 molekula piridina vezanih jednostrukom vezom, i terpiridina, molekule 3 piridinskog prstena povezane zajedno.

Jača Lewis baza može se koristiti kao zamjena za piridinski ligand koji je dio metalnog kompleksa. Ova se karakteristika iskorištava u katalizaciji reakcija polimerizacije i hidrogenacije, koristeći, na primjer, Carabtreeov katalizator. Piridin Lingard koji je zamijenjen tijekom reakcije je ponovno uspostavljen nakon završetka.

Reference

Nomenklatura organske kemije: IUPAC Preporuke i željeni nazivi 2013 (Plava knjiga), Cambridge: Royal Society of Chemistry. 2014. str. 141.

Anderson, T. (1851). "Proizvodi suhe destilacije životinjskih tvari". Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). „Piridin”. U Paquette, L. Enciklopedija reagensa za organsku sintezu. e-EROS (Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis), New York: J. Wiley & Sons.

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