Blog

Vse, kar morate vedeti o piridini

Vse, kar morate vedeti o piridini

Vse, kar morate vedeti Piridini

Piridin je osnovni heterociklični spojina vrste azina. Piridin izvira iz benzena z zamenjavo CH skupine z N-atomom. Struktura piridina je analogna strukturi benzena, ker je povezana z zamenjavo CH skupine za N. Glavne razlike vključujejo:

  1. Odhod iz popolne pravilne heksagonalne geometrije zaradi prisotnosti heteroatoma, ki je specifičen, krajše dušik-ogljikove vezi,
  2. Zamenjava vodikovega atoma v ravnini obroča z nesdečenim elektronskim parom, tako kot v ravnini obroča, ki se nahaja v hibridni orbitalni sp2, in ni vključen v aromatični p-elektronski sekstet. Ta dušik je eden od tistih, ki so odgovorni za osnovne lastnosti piridinov,
  3. Močan stalni dipol sledljiv do višje elektronegativnosti dušikovega atoma v primerjavi z atomom ogljika.

Piridinski obroč se pojavi v več ključnih spojinah, vključno z vitaminom niacin, piridoksinom in azinami.

Škotski kemik, Thomas Anderson je izumil piridin v 1849-u kot eno od spojin, ki sestavljajo kostno olje. Po dveh letih je Anderson dobil čisti piridin z delno destilacijo kostnega olja. Je lahko vnetljiva, brezbarvna, vodotopna, šibko alkalna tekočina z neprijetnim, značilnim vonjem, podobnim ribam.

Piridin se vedno uporablja kot predhodnik farmacevtskih izdelkov in agrokemikalij ter je tudi ključni reagent in topilo. Piridin lahko dodate etanolu, če ga želite neprimerno uporabiti za prehrano ljudi. Uporablja se tudi pri proizvodnji antihistaminskih zdravil mepyramine in tripelennamina, in vitro sinteza DNA, pri proizvodnji sulfapyridina (zdravila za zdravljenje virusnih okužb in bakterijskih okužb) ter baktericidov, herbicidov in vodnih repelentov.

Večina kemičnih spojin, čeprav ni proizvedena iz piridina, vsebuje obročno strukturo. Takšne spojine vključujejo vitamine B, kot so piridoksin in nikotin, nikotin, rastlinski proizvodi, ki vsebujejo dušik, in zdravilo proti tuberkulozi, znano kot izoniazid. Pirin je bil v preteklosti proizveden kot stranski produkt uplinjanja premoga in iz premogovega katrana. Vendar pa je povpraševanje po piridinu zaradi visokega povpraševanja privedlo do razvoja ekonomičnih načinov proizvodnje iz amonijaka in acetaldehida, več kot 20,000 ton pa se vsako leto proizvaja po vsem svetu.

Nomenklatura piridin

Sistematično ime piridina, po nomenklaturi Hantzsch-Widmana, ki ga predlaga IUPAC, je azina. Toda sistematična imena za osnovne spojine se redko uporabljajo; Namesto tega nomenklatura heterociklov sledi ugotovljenim splošnim imenom. IUPAC ne spodbuja uporabe azina pri sklicevanju na piridin.

Oštevilčenje obročnih atomov v azinu se začne na dušiku. Razporeditev položajev s črko grške abecede (α-γ) in vzorec zamenjave nomenklature, značilen za homoaromatske sisteme (para orto, meta,) se včasih uporabljajo. Pri tem se α, β in γ nanašata na dve, tri in štiri položaje.

Sistematično ime za derivate piridina je piridinil, kjer je število, ki sledi položaju substituiranega atoma, ki mu sledi številka. Toda zgodovinsko ime piridil priporoča IUPAC in se pogosto uporablja namesto sistematičnega imena. Derivat, ki nastane z dodajanjem elektrofila v atom dušika, je znan kot piridinij.

4-bromopiridin

2,2'-bipiridin

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

Osnovna oblika piridinijevega kationa

Proizvodnja piridina

Piridin smo dobili kot stranski produkt uplinjanja premoga ali ekstrahiran iz premogovega katrana. Ta metoda je bila neučinkovita in porabljena za delo: premogov katran ima okoli 0.1-odstotnega piridina, zato je bilo potrebno večstopenjsko čiščenje, kar je še dodatno zmanjšalo proizvodnjo. Danes večino piridina proizvedemo sintetično z uporabo več imenskih reakcij, najpogostejše pa so spodaj opisane.

Sinteza piridina skozi Bohlmann-Rahtz

Sinteza piridina preko Bohlmann-Rahtz omogoča nastanek substituiranih piridinov v dveh glavnih korakih. Kondenzacija enaminov, ki uporabljajo etinilketone, povzroči aminodienski intermediat, ki se po izomerizaciji, ki jo inducira toplota, podvrže ciklodehidraciji, da proizvede XRUMX-trisubstituirane piridine.

Sinteza piridina s pomočjo mehanizma Bohlmann-Rahtz

Mehanizem je povezan s priljubljeno Synthesis Hantzsch Dihydropyridine, kjersitu- generirane enaminske in enonske vrste tvorijo dihidropiridine. Čeprav je sinteza Bohlmann-Rahtz zelo raznolika, je čiščenje vmesnih in neverjetno visokih temperatur, potrebnih za ciklodehidracijo, izzive, ki so omejevale svojo korist. Večina izzivov je bila presežena, zaradi česar je Bohlmann-Rahtz Synthesis bolj bistven v piridinov generacije.

Čeprav ni bilo nobenih mehanističnih raziskav, lahko intermediate označuje H-NMR. To kaže, da je glavni izdelek prvega Michael Addition in naslednji prenos protona 2Z-4E-heptadien-6, ki se ekstrahira in očisti s kolonsko kromatografijo.

Za olajšanje so zato potrebne izjemno visoke temperature ciklodehidracije Z/E izomerizacije, ki so predpogoj za heteroanelacijo.

Nedavno smo razvili več metod, ki omogočajo sintezo tetra in trisubstituiranih piridinov v enem koraku. Namesto da bi uporabili butinon kot substrat, je Bagley preizkusil različna topila za pretvorbo manj hlapljive in poceni 4- (trimetilsilil) but-3-yn-2-one. Dokazali smo, da sta samo DMSO in EtOH idealna topila. EtOH je očitno prednostno kot polarno in protično topilo v primerjavi z DMSO kot polarno aprotično topilo. V obeh topilih je protodeililacija potekala spontano. Bagley je tudi pokazal, da kislinska kataliza omogoča, da se ciklo-hidratacija nadaljuje pri nižji temperaturi.

Kislinska kataliza tudi poveča konjugatni dodatek. Veliko vrsto enaminov presnovimo z etinil ketoni v mešanici (5: 1) ocetne kisline in toluena, da dobimo funkcionalizirane piridine v eni stopnji z odličnimi donosi.

Po uspehu kinteze kislin Brønstedt je kemik raziskal sposobnost katalizatorjev kislin Lewis. Najboljši pogoji Uporablja se bodisi dvajset mol% ytterbijevega triflata ali petnajst mol% cinkovega bromida v refluksiranem toluenu. Čeprav mehansko raziskovanje ni bilo opravljeno, lahko predpostavimo, da koordinacija s katalizatorjem pospeši ciklodehidracijo, Michael Addition in korake izomerizacije.

Slaba stran je omejena združljivost s kislinsko občutljivimi substrati. Na primer kislinsko katalizirana razgradnja enaminov poteka s ciano in tert-butilester kot skupine za odvzem elektronov. Druga blaga alternativa je uporaba Amberlyst-15 ionskega izmenjevalnega reagenta, ki prenaša tert-stilci.

Ker enamini niso na voljo in za izboljšanje objekta procesa, je bila izvedena 3-komponentna reakcija z uporabo amonijevega acetata kot vira amino skupine. V tem učinkovitem postopku se generira enamin situ ki reagira s prisotnostjo alkinona.

V prvem poskusu ZnBr2 in AcOH kot dodatne katalizatorje s toluenom kot topilom. Vendar pa je bilo od takrat dokazano, da kisli občutljivi substrati vedno reagirajo v blagem okolju z EtOH kot topilom.

Sinteza čičibina

Sinteza piridina v Chichibabinu je bila prvič prijavljena v 1924 in je še vedno glavna aplikacija v kemični industriji. Je reakcijska reakcija, ki vključuje reakcijo kondenzacije aldehidov, ketonov, α, β-nenasičenih karbonilnih spojin. Poleg tega lahko celotna oblika reakcije vključuje katero koli kombinacijo zgornjih produktov v čistem amoniaku ali njegovih derivatih.

Oblikovanje Piridin

Kondenzacija formaldehida in acetaldehida

Formaldehid in acetaldehid sta večinoma viri nesubstituiranega piridina. Vsaj jih je dostopno in dostopno.

  1. Prvi korak vključuje nastanek akroleina iz formaldehida in acetaldehida skozi Knoevenagelovo kondenzacijo.
  2. Končni produkt nato kondenziramo iz akroleina z acetaldehidom in amoniakom, ki tvori dihidropiridin.
  3. Končni postopek je oksidacijska reakcija s trdnim katalizatorjem, da dobimo piridin.
  4. Zgornja reakcija poteka v plinski fazi s temperaturnim območjem 400-450 ° C. Nastala spojina sestoji iz piridina, pikolina ali enostavnih metiliranih piridinov in lutidina. Vendar pa je sestava podvržena katalizatorju, ki se uporablja, in se v določeni meri razlikuje glede na zahteve proizvajalca. Tipično je katalizator prehodna kovinska sol. Najpogostejši so manganov (II) fluorid ali kadmijev (II) fluorid, čeprav so lahko talijeve in kobaltove spojine alternativne.
  5. Piridin se pridobiva iz stranskih produktov v večstopenjskem procesu. Glavna omejitev sinteze piridina s Chichibabinom je njen nizek donos, ki prinaša približno 20% končnih izdelkov. Zaradi tega so nespremenjene oblike te spojine manj razširjene.

Ciklizacija Bönnemann

Ciklizacija Bönnemann je tvorba trimera iz kombinacije dveh delov molekule acetilena in dela nitrila. Pravzaprav je proces modifikacija sinteze Reppe.

Mehanizem je olajšan bodisi s toploto iz povišanih temperatur in tlaka bodisi s foto-indukcijo cikloadicije. Kadar je aktiviran s svetlobo, za ciklizacijo Bönnemann zahteva CoCp2 (ciklopentadienil, 1,5-ciklooktadien), ki delujejo kot katalizator.

Ta metoda lahko tvori verigo derivatov piridina, odvisno od uporabljenih spojin. Na primer, acetonitril bo prinesel 2-metilpiridin, ki se lahko dealkilira, da se tvori piridin.

Druge metode

Sinteza Kröhnke piridina

Ta metoda uporablja reagent piridin, čeprav ne bo vključena v končni izdelek. Nasprotno, reakcija bo ustvarila substituirane piridine.

Ko se reagira z α-bromoestri, bo piridin podvržen reakciji podobnemu Michaelu z nenasičenimi karbonili, da se tvori substituiran piridin in piridijev bromid. Reakcijo obdelamo z amonijevim acetatom v blagih razmerah 20-100 ° C.

Preurejenost Ciamician-Dennstedt

To zajema ekspresijo pirola z dikloalkarbonom, ki tvori 3-kloropiridin.

Gattermann-Skita sinteza

V tej reakciji sol malonatnega estra reagira z diklorometilaminom v prisotnosti baze.

Bogerjeva piridinska sinteza

Reakcije piridinov

Za piridine lahko predvidimo naslednje reakcije iz njihove elektronske strukture:

  1. Zaradi heteroatomov piridini zelo reagirajo v normalne elektrofilne aromatične substitucijske reakcije. Nasprotno, piridini so dovzetni za nukleofilni napad. Piritini preidejo na elektrofilne nadomestne reakcije (SEAr) bolj nerodno, vendar nukleofilno substitucijo (SNAr) bolj kot benzen.
  2. Elektrofilni reagenti napadajo prednostno pri Natomu in pri bC-atomih, medtem ko nukleofilni reagenti raje a- in cC-atome.

Elektrofilno dodajanje pri dušiku

Pri reakcijah, ki vključujejo nastanek vezi z uporabo samostojnega para elektrona na obročnem dušiku, kot sta protonacija in kvaternizacija, se piridini obnašajo podobno kot terciarni alifatski ali aromatski amini.

Ko piridin reagira kot bazo ali nukleofil, tvori piridinijev kation, v katerem se zadrži aromatični sekstet in dušik pridobi formalno pozitivno naboj.

Protonacija pri dušiku

Piridini tvorijo kristalinične, pogosto higroskopske, soli z večino protičnih kislin.

Nitracija pri dušiku

To se zgodi hitro z reakcijo piridinov z nitronijeve soli, kot je nitronijev tetrafluoroborat. Proticne nitratne snovi, kot je dušikova kislina, seveda vodijo izključno na N-protonacijo.

Aciliranje pri dušiku

Kislinski kloridi in arilsulfonske kisline hitro reagirajo s piridini, ki v raztopini proizvajajo 1-acil- in 1-arilsulfonilpiridinijev sol.

Alkil halidi in sulfati zlahka reagirajo s piridini, ki dajejo kvaternarne piridinijeve soli.

Nukleofilne zamenjave

Za razliko od benzena lahko učinkovito in učinkovito vzdržuje številne nukleofilne substitucije s piridinom. To je zato, ker ima obroč nekoliko nižjo gostoto elektronov ogljikovih atomov. Te reakcije vključujejo zamenjavo z odstranitvijo hidridnega iona in izločitvenih dodatkov, da dobimo vmesno konfiguracijo arije in ponavadi nadaljujemo do položaja 2 ali 4.

Samo piridin ne more povzročiti nastajanja več nukleofilnih substitucij. Vendar lahko modifikacija piridina z bromom, delci sulfonske kisline, klor in fluor povzroči odhodno skupino. Tvorbo organolitijevih spojin je mogoče izterjati iz najboljše izstopajoče skupine fluora. Pri visokem tlaku lahko nukleofilna reagira z alkoksidi, tiolati, amini in amoniakimi spojinami.

Nekaj heterociklični reakcije se lahko pojavijo zaradi uporabe slabe skupine, ki zapušča, kot je hidridni ion. Derivate piridina v položaju 2 lahko dobimo s pomočjo Chichibabinove reakcije. 2-aminopiridin lahko še naprej dosežemo, kadar se kot nukleofil uporablja natrijev amid. Molekula vodika se tvori, ko se protoni amino skupine združijo s hidridnim ionom.

Podobno kot benzen, piridinov intermediate, kot je heteroarina, lahko dobimo s pomočjo nukleofilnih substitucij do piridina. Uporaba močnih alkalij, kot sta npr. Natrijev in kalijev tert-butoksid, lahko pomagajo znebiti derivatov piridina pri uporabi pravice, ki zapusti skupino. Po uvedbi nukleofila v trojno vez, zmanjšuje selektivnost in vodi do tvorbe zmesi, ki ima dva možna addukta.

Elektrofilne zamenjave

Več pirofinskih elektrofilnih substitucij se lahko nadaljuje do neke mere ali se ne nadaljuje v celoti. Po drugi strani pa se lahko s funkcionalizacijo elektronskega darovanja stimulira heteroaromatični element. Alkilacija Friedel-Crafts (acilacija) je primer alkilacij in acilacij. Aspekt ne prehaja na piridin, ker povzroči dodajanje dušikovega atoma. Zamenjave se večinoma pojavijo na tristopenjski legi, ki je eden izmed atomov ogljika, bogatih z elektroni, ki se nahajajo v obroču, zaradi česar je nagnjena k elektrofilnemu dodajanju.

Struktura piridin-N-oksida

Elektrofilne substitucije lahko povzročijo spremembo položaja piridina v položaju 2 ali 4 zaradi neugodne σ kompleksne močne reakcije. Vendar pa lahko uporabimo eksperimentalne metode, medtem ko izvajamo elektrofilno substitucijo na piridin-N-oksidu. Kasneje sledi dezoksigenacija dušikovega atoma. Zato je znano, da uvedba kisika zniža gostoto dušika in izboljša substitucijo pri položaju 2 in 4-položaju.

Znano je, da se lahko spojine dvovalentnega žvepla ali trivalentnega fosfora zlahka oksidirajo, zato se predvsem uporabljajo za odstranitev kisikovega atoma. Trifenilfosfin oksid je spojina, ki se tvori po oksidaciji trifenilfosfinskega reagenta. Je drug reagent, ki ga lahko uporabimo za odstranjevanje kisikovega atoma iz drugega elementa. Spodnje informacije opisujejo, kako navadna elektrofilna substitucija reagira s piridinom.

Neposredna piridinska nitracija zahteva določene stroge pogoje in na splošno ima majhne donose. Reakcija dinitrogenpentoksida s piridinom v prisotnosti natrija lahko povzroči nastanek 3-nitropiridina. Derivate piridina se lahko pridobijo z nitriranjem nitronijevega tetrafluoroborata (NO2BF4), tako da se sterično in elektronsko izbere atom dušika. Sinteza dveh spojin 6-dibromo piridina lahko povzroči nastanek 3-nitropiridina po odstranitvi atomov broma.

Neposredna nitracija se šteje za bolj udobno kot direktna sulfonacija piridina. Vrelišče piridina pri 320 ° C lahko povzroči, da piridin-3-sulfonska kislina hitreje presega vrelišče žveplove kisline pri istih temperaturah. Dodajanje žveplovega elementa v atom dušika lahko dobimo z reakcijo skupine SO3 v prisotnosti živega srebra (II) sulfata, ki deluje kot katalizator.

Neposredna kloriranje in bromiranje se lahko še naprej razlikujeta glede na nitrat in sulfoniranje. 3-bromopiridin lahko dobimo z reakcijo molekularnega broma v žveplovi kislini pri 130 ° C s piridinom. Po kloriranju je lahko rezultat 3-kloropiridina nizek v prisotnosti aluminijevega klorida, ki deluje kot katalizator pri 100 ° C. Neposredna reakcija halogena in paladija (II) lahko povzroči tako 2-bromopyridin kot 2-kloropiridin.

Uporaba piridina

Ena od surovin, ki so bistvenega pomena za kemične tovarne, je piridin. V 1989 je bila skupna proizvodnja piridina po vsem svetu tona 26K. Kot 1999 je 11 iz največjih proizvodnih obratov piridina 25 v Evropi. Med pomembnejšimi proizvajalci piridina so bili Koei Chemical, Imperial Chemical Industries in Evonik Industries.

V zgodnjih 2000s se je proizvodnja piridina povečala za visoko stopnjo. Na primer, celinska Kitajska je samo enkrat dosegla letno proizvodno zmogljivost ton 30,000. Danes skupno podjetje med ZDA in Kitajsko povzroči največjo proizvodnjo piridina na svetu.

Pesticidi

Piridin se večinoma uporablja kot predhodnik dveh herbicidnih dikvatov in parakvata. Pri pripravi fungicidov na osnovi pirotiona se piridin uporablja kot osnovna spojina.

Reakcija med Zincke in piridinom ima za posledico proizvodnjo dveh spojin - laurilpiridinium in cetilpiridinium. Zaradi svojih antiseptičnih lastnosti se obe spojini dodata k zobozdravstvenim in ustnim nege.

Napad alkilirnega sredstva v piridin povzroči N-alkilpiridinijeve soli, pri čemer je primer cetilpiridinijevega klorida.

Paraquat sinteza

Topilo

Druga aplikacija, v kateri se uporablja piridin, je v Knoevenagelovih kondenzacijah, pri čemer se uporablja kot nizko reaktivno, polarno in bazično topilo. Piridin je še posebej primeren za dehalogenacijo, kjer služi kot osnova za odzračitveno reakcijo, medtem ko se privede do nastanka hidrogen halida, da se tvori piridinijeva sol.

V acilacijah in esterifikacijah piridin aktivira halogenidne anhidride ali karboksilne kisline. Še bolj aktivne v teh reakcijah so 4- (1-pirolidinil) piridin in 4-dimetilaminopiridin (DMAP), ki so piridinski derivati. Pri kondenzacijskih reakcijah se piridin običajno uporablja kot baza.

Oblikovanje piridinija skozi reakcijo eliminacije s piridinom

Piridin je tudi pomembna surovina v tekstilni industriji. Poleg tega, da se uporablja kot topilo pri proizvodnji gume in barvil, se uporablja tudi za povečanje zmogljivosti omrežja bombaža.

Ameriška uprava za hrano in zdravila odobrava dodajanje piridina v majhnih količinah živilom, da bi jim zagotovili grenak okus.

V raztopinah je prag detekcije piridina okoli 1-3 mmol·L-1 (79-237 mg · L-1). Kot baza se piridin lahko uporabi kot reaktant Karla Fischerja. Vendar pa se imidazol običajno uporablja kot nadomestek za piridin, saj ima (imidazol) prijeten vonj.

Predhodnik za piperidin

Piritinsko hidrogeniranje s katalizatorjem na osnovi rutenijuma, kobalta ali niklja pri visokih temperaturah povzroči nastanek piperidina. To je bistveni heterocikel dušika, ki je pomemben sintetični gradbeni blok.

Posebni reagenti na osnovi piridina

V 1975u sta William Suggs in James Corey razvila piridinijev klorhromat. Uporablja se za oksidacijo sekundarnih alkohola ketonom in primarnim alkoholom za aldehide. Piridinijev klorhromat se običajno pridobi, če piridin dodamo k raztopini koncentrirane klorovodikove in kromove kisline.

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

S kromovim kloridom (CrO2Cl2), ki je rakotvorna, je bilo treba iskati alternativno pot. Ena izmed njih je uporaba piridinijevega klorida za zdravljenje kroma (VI) oksida.

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

Sarretski reagent (kompleks kroma (VI) oksida s piridinskim heterociklom v piridinu), piridinijev klorhromat (PCC), Cornforthov reagent (piridinijev dikromat, PDC) in Collinsov reagent (kompleks kroma (VI) oksida s piridinom heterocikel v diklorometanu) so primerljive spojine kroma-piridina. Uporabljajo se tudi za oksidacijo, kot je pretvorba sekundarnih in primarnih alkoholov v ketone.

Reagenti Sarret in Collins niso le težki pripraviti, temveč so tudi nevarni. So higroskopski in so med postopkom priprave dovzetni za vžig. Zato smo priporočili uporabo PDC in PCC. Medtem ko sta bila dva reagenta močno uporabljena v 70s in 80s, jih trenutno redko uporabljata zaradi njihove strupenosti in potrjene rakotvornosti.

Struktura katalizatorja Crabtree's

V koordinacijski kemiji se piridin obsežno uporablja kot ligand. Izveden je, kot je njegov derivat 2,2'-bipiridin, ki obsega molekule 2 piridina, pritrjene z enojno vezjo, in terpiridin, molekulo piridinskih obročev 3, ki sta povezana skupaj.

Močnejšo bazo Lewis lahko uporabimo kot nadomestek za piridinski ligand, ki je del kovinskega kompleksa. Ta značilnost se izkorišča pri katalizaciji reakcij polimerizacije in hidrogeniranja, na primer s Carabtreejevim katalizatorjem. Piridin Lingard, ki je med reakcijo substituiran, se po njegovem zaključku ponovno vzpostavi.

Reference

Nomenklatura organske kemije: priporočila IUPAC in prednostna imena 2013 (modra knjiga). Cambridge: Royal Society of Chemistry. 2014. str. 141.

Anderson, T. (1851). "Ueber die Producte der trocknen Destillation thierischer Materien" [Pri proizvodih suhe destilacije živalskih snovi]. Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). "Piridin". V Paquette, L. Enciklopedija reagentov za organsko sintezo. e-EROS (Enciklopedija reagentov za organsko sintezo). New York: J. Wiley & Sons.

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