Blog

Alt du behøver at vide om pyridiner

Alt du behøver at vide om pyridiner

Alt du behøver at vide om Pyridines

Pyridin er den grundlæggende heterocyklisk sammensatte af azine slags. Pyridin er afledt af benzen ved udskiftning af CH-gruppen med N-atom. Pyridinstrukturen er analog med strukturen af ​​benzen, fordi den er relateret til udskiftningen af ​​CH-gruppen med N. De væsentligste forskelle indbefatter:

  1. Afgang fra en perfekt regelmæssig sekskantet geometri på grund af tilstedeværelsen af ​​et heteroatom, for at være specifikt, de kortere nitrogen-carbon-bindinger,
  2. Udskiftning af et hydrogenatom i ringets plan med det uafskårne elektronpar, som i ringenes plan, der er placeret i sp2-hybridomløbet, og ikke involveret i en aromatisk p-elektron-sekstet. Denne nitrogenone er den ene, der er ansvarlig for de grundlæggende egenskaber af pyridiner,
  3. Den stærke permanente dipol der kan spores til en højere elektronegativitet af nitrogenatomet sammenlignet med et carbonatom.

Pyridinring forekommer i flere afgørende forbindelser, herunder vitaminer niacin, pyridoxin, samt aziner.

En skotsk kemiker, Thomas Anderson opfandt pyridin i 1849 som en af ​​de forbindelser, der udgør knogleolie. Efter to år afledte Anderson ren pyridin ved fraktioneret destillation af knogleolie. Det er en meget brandfarlig, farveløs, vandopløselig, svagt alkalisk væske med en ubehagelig karakteristisk, fisklignende lugt.

Pyridin anvendes altid som en forstad til lægemidler og agrokemikalier og er også et afgørende reagens og opløsningsmiddel. Pyridin kan tilsættes til ethanol, hvis du vil gøre den uegnet til menneskeføde. Det kan også anvendes til fremstilling af antihistaminiske lægemidler mepyramin og tripelennamin, in vitro syntese af DNA, i produktionen af ​​sulfapyridin (medicin til behandling af virale infektioner og bakterielle infektioner), såvel som baktericider, herbicider og vandafvisende midler.

De fleste kemiske forbindelser, selvom de ikke er fremstillet af pyridin, indeholder en ringstruktur. Sådanne forbindelser indbefatter B-vitaminer, såsom pyridoxin og niacin, nikotin, nitrogenholdige planteprodukter og anti-tuberkulosemidlet kendt som isoniazid. Pyridin blev historisk fremstillet som et biprodukt af kulforgasning og fra stenkulstjære. Den skyhøje efterspørgsel efter pyridin førte imidlertid til udvikling af økonomiske produktionsmetoder fra ammoniak og acetaldehyd, og over 20,000 tons produceres årligt over hele verden.

Nomenklaturen for pyridin

Det systematiske navn af pyridin ifølge Hantzsch-Widman-nomenklaturen foreslået af IUPAC er azin. Men systematiske navne til basiske forbindelser anvendes sjældent; I stedet følger nomenklaturen for heterocykler etablerede almindelige navne. IUPAC opfordrer ikke til brug af azin når der henvises til pyridin.

Nummereringen af ​​ringatomer i azin begynder ved nitrogenet. En fordeling af positionerne med det græske alfabetbrev (α-y) og nomenklatur-substitutionsmønsteret typisk for de homoaromatiske systemer (para ortho, meta,) bruges nogle gange. Her refererer α, ß og γ henholdsvis henholdsvis to, tre og fire positioner.

Systematisk navn for derivaterne af pyridin er pyridinyl, hvor et tal går forud for den substituerede atomposition forud for et tal. Men det historiske navn pyridyl anbefales af IUPAC og anvendes i vid udstrækning i stedet for det systematiske navn. Derivatet dannet ved tilsætning af en elektrofil til nitrogenatomet er kendt som pyridinium.

4-brompyridin

2,2'-bipyridin

Dipicolinsyre (pyridin-2,6-dicarboxylsyre)

Den grundlæggende form af pyridiniumkation

Fremstilling af pyridin

Pyridin blev opnået som biprodukt fra kulforgasning eller ekstraheret fra kul tjære. Denne metode var ineffektiv og arbejdskrævende: kul tjære har omkring 0.1 procent pyridin, og der var derfor behov for en rensning af flere trin, hvilket reducerede produktionen yderligere. I dag fremstilles de fleste pyridin syntetisk ved anvendelse af flere navnereaktioner, og de mest almindelige er diskuteret nedenfor.

Pyridin Syntese gennem Bohlmann-Rahtz

Pyridin-syntese gennem Bohlmann-Rahtz tillader dannelse af substituerede pyridiner i to store trin. Kondensation af enaminer anvender ethynylketones resulterer i en aminodiene mellemprodukt, som, efter varmeinduceret isomerisering, undergår cyclodehydratisering til frembringelse 2,3,6-trisubstituerede pyridiner.

Pyridin Synthesis gennem en Bohlmann-Rahtz mekanisme

Mekanismen er relateret til den populære Hantzsch Dihydropyridin Synthesis hvoron-sitegenereret enamin og enon arter producerer dihydropyridiner. Selvom Bohlmann-Rahtz Synthesis er meget alsidig, er rensning af mellemliggende og utroligt høje temperaturer, der er nødvendige for cyclodehydrering, udfordringer, der har begrænset dets anvendelighed. De fleste udfordringer er blevet overvurderet, hvilket gør Bohlmann-Rahtz Synthesis mere afgørende i pyridiner generation.

Selvom der ikke er foretaget nogen mekanisk forskning, kan mellemprodukter være karakteriseret ved H-NMR. Dette viser, at hovedproduktet af den første Michael Addition og den følgende protonoverførsel kan være en 2Z-4E-heptadien-6-one, der ekstraheres og renses ved søjlekromatografi.

Der er således behov for utroligt høje cyclodehydreringstemperaturer for at lette Z/E isomeriseringer, som er en forudsætning for heteroannelation.

Adskillige metoder, der tillader syntese af tetra- og trisubstituerede pyridiner i en enkelt-trin-proces, er blevet udviklet for nylig. I stedet for at anvende butynon som substrat, testede Bagley forskellige opløsningsmidler til omdannelse af mindre flygtige og billige 4- (trimethylsilyl) but-3-yn-2-one. Det blev påvist, at kun DMSO og EtOH er ideelle opløsningsmidler. EtOH er klart favoriseret som polært og protisk opløsningsmiddel vs. DMSO som det polære aprotiske opløsningsmiddel. I de to opløsningsmidler fandt protodesilylering sted spontant. Bagley har også vist, at syrekatalyse gør det muligt for cyclodehydreringen at fortsætte ved en lavere temperatur.

Syrekatalyse øger også konjugattilsætningen. En bred vifte af enaminer blev omsat med ethynylketoner i (5: 1) -blandingen af ​​eddikesyre og toluen for at give funktionaliserede pyridiner i et trin i fremragende udbytter.

Efter succesen med Brønstedt-syrekatalysen undersøgte kemikeren Lewis-syrekatalysatorernes evne. Bedste betingelser Anvendes enten 20 mol% ytterbiumtriflat eller 15 mol% zinkbromid i tilbagesvalingstoluen. Selv om den mekanistiske forskning ikke blev gjort, kan vi antage, at katalysatorens koordinering fremskynder cyclodehydrering, Michael Addition og isomeriseringstrin.

Ulempen er den begrænsede kompatibilitet med de syrefølsomme substrater. For eksempel foregår surkatalyseret nedbrydning af enaminerne med cyano og tert-butylester som elektron-udtrækningsgrupper. Et andet mildt alternativ er anvendelsen af ​​Amberlyst-15 ionbytningsreagens, der tolererer tert-butylesters.

Da enaminerne ikke er tilgængelige og for at forbedre faciliteten af ​​processen blev en 3-komponentreaktion udført under anvendelse af ammoniumacetat som aminogruppens kilde. I denne effektive procedure genereres enamin on-site som reagerer med alkynon til stede.

I det første forsøg blev ZnBr2 og AcOH blev påført som ekstra katalysatorer med toluen som opløsningsmidlet. Imidlertid er det siden blevet påvist, at syrefølsomme substrater altid reagerer i et mildt miljø med EtOH som et opløsningsmiddel.

Chichibabinsyntese

Chichibabin-pyridinsyntesen blev først rapporteret i 1924 og er stadig en vigtig anvendelse i den kemiske industri. Det er en ringdannende reaktion, som involverer kondensationsreaktionen af ​​aldehyder, ketoner, a, β-umættede carbonylforbindelser. Endvidere kan den overordnede form af reaktionen indbefatte enhver kombination af ovennævnte produkter i ren ammoniak eller dets derivater.

Dannelse af Pyridin

Kondensation af formaldehyd og acetaldehyd

Formaldehyd og acetaldehyd er hovedsageligt kilderne til usubstitueret pyridin. I det mindste er de overkommelige og ret tilgængelige.

  1. Det første trin involverer dannelse af acrolein fra formaldehyd og acetaldehyd gennem Knoevenagel-kondensering.
  2. Slutproduktet kondenseres derefter fra acrolein med acetaldehyd og ammoniak, der danner dihydropyridin.
  3. Den endelige proces er en oxidationsreaktion med en faststofkatalysator til opnåelse af pyridin.
  4. Ovennævnte reaktion udføres i en gasfase med et temperaturområde på 400-450 ° C. Den dannede forbindelse består af pyridin, picolin eller simple methylerede pyridiner og lutidin. Sammensætningen er imidlertid underkastet katalysatoren under anvendelse, og i nogen grad varierer den med producentens krav. Katalysatoren er typisk et overgangsmetalsalt. De mest almindelige er mangan (II) fluorid eller cadmium (II) fluor, selvom thallium og koboltforbindelser kan være alternativer.
  5. Pyridinen udvindes fra biprodukterne i en flertrinsproces. Hovedbegrænsningen af ​​Chichibabin-pyridinsyntese er dens lave udbytte og oversætter til ca. 20% af slutprodukterne. Af denne grund er de umodificerede former af denne forbindelse mindre udbredte.

Bönnemann-cyklisering

Bönnemann-cyklisering er dannelsen af ​​en trimer fra kombinationen af ​​to dele acetylenmolekyle og en del af en nitril. Faktisk er processen en modifikation af Reppesyntese.

Mekanismen lettes ved enten varme fra forhøjede temperaturer og tryk eller gennem fotoinduceret cykloaddition. Ved aktivering af lys kræver Bönnemann-cyklisering CoCp2 (cyclopentadienyl, 1,5-cyclooctadien) for at virke som en katalysator.

Denne metode kan producere en kæde af pyridinderivater afhængigt af de anvendte forbindelser. For eksempel vil acetonitril give 2-methylpyridin, som kan undergå dealkylering til dannelse af pyridin.

Andre metoder

Kröhnke-pyridinsyntesen

Denne metode bruger pyridin som reagens, selvom det ikke vil blive medtaget i slutproduktet. I modsætning hertil frembringer reaktionen substituerede pyridiner.

Når det omsættes med a-bromestere, vil pyridin undergå en Michael-lignende reaktion med de umættede carbonyler til dannelse af det substituerede pyridin og pyridiumbromid. Reaktionen behandles med ammoniakacetat inden for 20-100 ° C milde betingelser.

Den Ciamician-Dennstedt omlægning

Dette medfører ring-ekspansion af pyrrol med dichlorpcarben, der danner 3-chlorpyridin.

Gattermann-Skita-syntese

I denne reaktion reagerer malonatestersaltet med dichlormethylamin i nærværelse af en base.

Boger-pyridinsyntese

Reaktioner af pyridiner

Følgende reaktioner kan forudsiges for pyridiner fra deres elektroniske struktur:

  1. Heteroatomet gør pyridiner meget ureaktive overfor normale elektrofile aromatiske substitutionsreaktioner. Omvendt er pyridiner modtagelige for nukleofile angreb. Pyridiner undergår elektrofile substitutionsreaktioner (SEAr) mere modvilligt, men nukleofil substitution (SNAr) lettere end benzen.
  2. Elektrofile reagenser angriber fortrinsvis ved Natom og ved bC-atomerne, medens nukleofile reagenser foretrækker a- og cC-atomerne.

Elektrofil Tilsætning ved nitrogen

I reaktioner, der involverer bindingsdannelse under anvendelse af det ensomme par elektroner på ringkvælvet, såsom protonering og kvaternisering opfører pyridiner ligesom tertiære alifatiske eller aromatiske aminer.

Når en pyridin reagerer som en base eller en nukleofil, danner den en pyridiniumkation, hvori den aromatiske sekstet bevares, og nitrogenet opnår en formel positiv ladning.

Protonering ved nitrogen

Pyridiner danner krystallinske, hyppigt hygroskopiske salte med de fleste protesyrer.

Nitration ved nitrogen

Dette sker let ved omsætning af pyridiner med nitroniumsalte, såsom nitroniumtetrafluorborat. Protiske nitreringsmidler, såsom salpetersyre, fører naturligvis udelukkende til N-protonering.

Acylering ved nitrogen

Syrechlorider og arylsulfonsyrer reagerer hurtigt med pyridiner, der frembringer 1-acyl- og 1-arylsulfonylpyridiniumsalte i opløsning.

Alkylhalogenider og sulfater reagerer let med pyridiner, der giver kvaternære pyridiniumsalte.

Nukleofile Substitutioner

I modsætning til benzen kan mange nukleofile substitutioner effektivt og effektivt opretholdes af pyridin. Det skyldes, at ringen har en lidt lavere elektrontæthed af carbonatomerne. Disse reaktioner indbefatter udskiftninger med fjernelsen af ​​en hydridion og elimineringstillæg for at opnå en mellemliggende aryne-konfiguration og fortsætter sædvanligvis med 2- eller 4-position.

Pyridin alene kan ikke resultere i dannelsen af ​​adskillige nukleofile substitutioner. Modifikation af pyridin med brom, sulfonsyrefragmenter, chlor og fluor kan imidlertid resultere i en fraspaltelig gruppe. Dannelsen af ​​organolithiumforbindelser kan udvindes fra den bedste afgangsgruppe af fluor. Ved højt tryk kan nukleofil reagere med alkoxider, thiolater, aminer og ammoniakforbindelser.

Kun få heterocyklisk reaktioner kan opstå på grund af anvendelse af en dårlig afgangsgruppe, såsom hydridion. Pyridinderivater i 2-stillingen kan opnås gennem Chichibabin-reaktion. 2-aminopyridin kan fortsat opnås, når natriumamid anvendes som nukleofilen. Hydrogenmolekylet dannes, når protonerne i aminogruppen kombineres med hydridion.

Ligner benzen, pyridiner mellemprodukter såsom heteroaryn kan opnås gennem nukleofile substitutioner til pyridin. Brugen af ​​stærke alkalier som natrium og kalium tert-butoxid kan hjælpe med at slippe af med pyridinderivater, når man bruger højre ud af gruppen. Efter introduktionen af ​​nukleofilen til triplebindingen sænker den selektiviteten og fører til dannelsen af ​​en blanding, som har to mulige addukter.

Elektrofile substitutioner

Flere pyridin-elektrofile substitutioner kan enten fortsætte op til et tidspunkt eller fortsætter ikke helt. På den anden side kan det heteroaromatiske element stimuleres gennem funktionalisering af elektron-donation. Friedel-Crafts-alkylering (acylering) er et eksempel på alkyleringer og acyleringer. Aspektet undlader at undergå pyridin, da det resulterer i tilsætning af nitrogenatom. Substitutionerne foregår hovedsageligt i tre-stillingen, som er et af de elektronrige carbonatomer, der er placeret i ringen, hvilket gør det udsat for elektrofiltilsætning.

Struktur af pyridin-N-oxid

Elektrofile substitutioner kan resultere i ændringen af ​​positionen af ​​pyridin i 2- eller 4-position på grund af den negative σ-komplekse kraftige reaktion. Eksperimentelle metoder kan imidlertid anvendes, mens man foretager elektrofil substitution på pyridin-N-oxid. Det efterfølges senere af nitrogenatomdeoxygenering. Derfor er indførelsen af ​​oxygen kendt for at sænke densiteten på nitrogen og forøge substitution i 2-position og 4-positionskolber.

Forbindelser med divalent svovl eller trivalent fosfor er kendt for at være let oxideret og anvendes derfor hovedsagelig til fjernelse af oxygenatom. Triphenylphosphinoxid er en forbindelse, der dannes efter oxidation af triphenylphosphinreagens. Det er et andet reagens, der kan bruges til at slippe af med et oxygenatom fra et andet element. Oplysningerne nedenfor beskriver, hvordan almindelig elektrofil substitution reagerer med pyridin.

Direkte pyridin nitrering kræver visse barske betingelser, og det har generelt små udbytter. Reaktionen af ​​dinitrogenpentoxid med pyridin i nærværelse af natrium kan resultere i dannelsen af ​​3-nitropyridin. Derivaterne af pyridin kan opnås ved nitrering af nitroniumtetrafluorborat (NO2BF4) ved at plukke nitrogenatom sterisk og elektronisk. Syntese af to forbindelser af 6-dibrompyridin kan resultere i dannelsen af ​​3-nitropyridin efter fjernelse af bromatomer.

Direkte nitrering anses for at være mere behagelig end direkte sulfonering af pyridin. Kogning af pyridin ved 320 ° C kan resultere i pyridin-3-sulfonsyre hurtigere end kogende svovlsyre ved de samme temperaturer. Tilsætningen af ​​svovlelementet til nitrogenatomet kan opnås ved at omsætte SO3-gruppen i nærvær af kviksølv (II) sulfat, der virker som en katalysator.

Direkte chlorering og bromering kan fortsætte godt i modsætning til nitrering og sulfonering. 3-brompyridin kan opnås ved omsætning af molekylbrom i svovlsyre ved 130 ° C med pyridin. Efter chlorering kan resultatet af 3-chlorpyridin være lavt i nærværelse af aluminiumchlorid, som virker som en katalysator ved 100 ° C. Direkte reaktion af halogen og palladium (II) kan resultere i både 2-brompyridin og 2-chlorpyridin.

Anvendelser af pyridin

Et af de råmaterialer, der er helt afgørende for de kemiske fabrikker, er pyridin. I 1989 var den samlede produktion af pyridin over hele verden 26K tons. Fra 1999 var 11 ud af 25s største pyridinproduktionssteder beliggende i Europa. De vigtigste pyridinproducenter indbefattede Koei Chemical, Imperial Chemical Industries og Evonik Industries.

I de tidlige 2000'er steg produktionen af ​​pyridin med en høj margen. For eksempel ramte fastlandet kun en årlig produktionskapacitet på 30,000 tons. I dag resulterer joint venture mellem USA og Kina i verdens højeste pyridinproduktion.

Pesticider

Pyridin anvendes hovedsageligt som en forstad til to herbicider, diquat og paraquat. Ved fremstillingen af ​​pyrithionbaserede fungicider anvendes pyridin som den basiske forbindelse.

Reaktionen mellem Zincke og pyridin resulterer i produktion af to forbindelser - laurylpyridinium og cetylpyridinium. På grund af deres antiseptiske egenskaber tilsættes de to forbindelser til tandpleje og mundplejeprodukter.

Et angreb af et alkyleringsmiddel til pyridin resulterer i N-alkylpyridiniumsalte, cetylpyridiniumchlorid er et eksempel.

Paraquatsyntese

opløsningsmiddel

En anden anvendelse, hvori pyridin anvendes, er i Knoevenagel-kondensationer, hvorved den anvendes som et lavt reaktivt, polært og basisk opløsningsmiddel. Pyridin er især ideel til dehalogenering, hvor den tjener som basis for elimineringsreaktion under binding af det resulterende hydrogenhalogenid til dannelse af pyridiniumsalt.

Ved acyleringer og esterificeringer aktiverer pyridin anhydriderne eller carboxylsyrehalogeniderne. Endnu mere aktive i disse reaktioner er 4- (1-pyrrolidinyl) pyridin og 4-dimethylaminopyridin (DMAP), som er pyridinderivater. Ved kondensationsreaktioner anvendes pyridin typisk som base.

Dannelse af pyridinium gennem elimineringsreaktion med pyridin

Pyridin er også et vigtigt råmateriale i tekstilindustrien. Udover at blive anvendt som opløsningsmiddel i produktionen af ​​gummi og farvestoffer, bruges det også til at forbedre bomuldens netkapacitet.

US Food and Drug Administration godkender tilsætningen af ​​pyridin i små mængder til fødevarer for at give dem en bitter smag.

I opløsninger er detektionsgrænsen for pyridin omkring 1-3 mmol / L-1 (79-237 mg · L-1). Som en base kan pyridin anvendes som et Karl Fischer-reagens. Imidlertid anvendes imidazol sædvanligvis som en erstatning for pyridin, da den (imidazol) har en behagelig lugt.

Forløber til Piperidin

Pyridinhydrogenering med ruthenium-, kobolt- eller nikkelbaseret katalysator ved høje temperaturer resulterer i produktion af piperidin. Dette er en vigtig nitrogen-heterocykel, der er en vigtig syntetisk byggesten.

Specialreagenser baseret på pyridin

I 1975 udviklede William Suggs og James Corey pyridiniumchlorchromat. Det anvendes til at oxidere sekundære alkoholer til ketoner og primære alkoholer til aldehyder. Pyridiniumchlorchromat opnås sædvanligvis, når pyridin tilsættes til opløsningen af ​​koncentreret saltsyre og chromsyre.

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

Med chromylchloridet (CrO2Cl2) kræftfremkaldende, skulle der søges en alternativ vej. En af dem er at bruge pyridiniumchlorid til at behandle krom (VI) oxid.

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

Sarretreagenset (komplekset af chrom (VI) oxid med pyridin-heterocyklisk pyridin), pyridiniumchlorchromat (PCC), Cornforth-reagenset (pyridiniumdichromat, PDC) og Collins-reagenset (komplekset af chrom (VI) oxid med pyridin heterocyklisk gruppe i dichlormethan) er sammenlignelige chrompyridinforbindelser. De ansøges også om oxidation, såsom omdannelse af sekundære og primære alkoholer til ketoner.

Sarret- og Collins-reagenserne er ikke kun vanskelige at forberede, men de er også farlige. De er hygroskopiske og kan antændes under fremstillingsprocessen. Derfor anbefales brug af PDC og PCC. Mens de to reagenser blev stærkt udnyttet i 70'erne og 80'erne, anvendes de sjældent i øjeblikket på grund af deres toksicitet og bekræftede carcinogenicitet.

Strukturen af ​​Crabtree's katalysator

I koordineringskemi anvendes pyridin i vid udstrækning som en ligand. Det er afledt, ligesom dets derivat 2,2'-bipyridin, der består af 2-pyridinmolekyler bundet af en enkeltbinding og terpyridin, et molekyle af 3-pyridinringe forbundet sammen.

En stærkere Lewis-base kan anvendes som erstatning for en pyridinligand, som er en del af et metalkompleks. Denne egenskab udnyttes i katalyse af polymeriserings- og hydrogeneringsreaktioner under anvendelse af for eksempel Carabtree's katalysator. Den pyridin Lingard, der er substitueret under reaktionen, genindføres efter færdiggørelsen.

Referencer

Nomenklatur for organisk kemi: IUPAC-henstillinger og foretrukne navne 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. s. 141.

Anderson, T. (1851). "Ueber die Produkte der trocknen Destillation Thierischer Materien" [På produkterne af tør destillation af dyrefoder]. Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). ”Pyridin”. I Paquette, L. Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. e-EROS (Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis). New York: J. Wiley & Sons.

Behr, A. (2008). Angewandte homogen Katalyse. Weinheim: Wiley-VCH. s. 722.