Реакционноспособность некоторых заместителей в пиридиновом кольце

Применение и значение пятичленных гетероциклических соединений

Пиррол – входит в состав гемоглобина, хлорофилла.

Пирролидин – входит в состав аминокислот (пролин, оксипролин).

Фуран – ТГФ.

Фурфурол фуриловый спирт тетрагидрофуриловый спирт.

Фурфурол – селективный растворитель, в нефти, производство пластмасс (фенолальдегидных), получение фумаровой кислоты, лекарственных препаратов.

Тиофен – производные используются как лечебные препараты.

Имидазол – входит в состав аминокислот, белков, получение ускорителей вулканизации.

Тиазол – входит в состав пенициллина, используется для получения лекарственных препаратов.

Пиразол – получение лекарственных препаратов (антипирин, амидопирин), красящих веществ, фотореактивов.

Индол – входит в состав гетероауксина, аминокислот, белков. Используется для получения индиго, пурина.

Бензтиазол – получение ускорителей вулканизации (каптакс, альтакс).

Кумарон – инденкумароновые смолы.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Рассмотрим на примере группы пиридина.

Простейший член ряда – пиридин.

Бесцветная жидкость с неприятным запахом, Т_кип=115⁰С. Смешивается с водой и с органическими растворителями, имеет большое применение в качестве растворителя и катализатора при химических реакциях.

Монометилпиридины – пиколины.


-пиколин	-пиколин	-пиколин

Диметилпиридины – лужидины

Триметилпиридины – коллидины

(положение радикалов указывается цифрами – нумерация от атома азота к ближайшим заместителям).

Получение

1) Выделение из аммиачной воды, образующейся при сухой перегонке каменноугольной смолы.

2) Конденсация ацетилена и HCN.

раскаленные трубки

3) Синтез Ганца-Чичибабина – конденсация карбонильных соединений с аммиаком (наиболее распространенный промышленный метод синтеза соединений ряда пиридина).

			(1)
		4-метил-3-этилпиридин
	+ NH₃ -4H₂O
ацетальдегид			(2)
		2-метил-5-этилпиридин

2-метил-5-этилпиридин нашел применение для получения мономера винилпиридиновых латексов.

	(Cr₂O₃+ другие окислители) T⁰ -H₂
		2-метил-5-винилпиридин

n		полимеризация
			поли-2-метил-5-винилпиридин

Химические свойствапиридина сходны со свойствами бензола. Проявляет ароматические свойства (более ярко выраженные, чем у пятичленных гетероциклов), однако распределение электронной плотности в пиридине не вполне равномерное, он проявляет ненасыщенность в большей степени, чем бензол (но меньше, чем тиофен). Это вытекает из электронного строения пиридина. В кольце пиридина 3 двойные связи, 6 -электронов, образующих ароматический секстет. Поэтому неподеленная пара электронов азота мало участвует в сопряжении с -электронами кольца. Поскольку азот обладает более высокой электроотрицательностью, чем углерод, электронное облако кольца оттянуто к азоту, и пиридин имеет дипольный момент, направленный к азоту.

=2,2Д

Самая высокая электронная плотность у азота. Электронная плотность в -положении выше, чем в и .

Химические реакции пиридина можно подразделить на следующие типы:

1) реакции аминного азота;

2) реакции электрофильного замещения в ядре;

3) реакции нуклеофильного замещения в ядре;

4) реакции окисления и восстановления.

1) реакции аминного типа

а) пиридин проявляет основные свойства благодаря наличию трехвалентного атома азота, имеющего неподеленную пару электронов. Однако, пиридин – основание менее сильное, чем пиперидин, но более сильное, чем анилин.


К_д=4,0^.10^-10	К_д=1,7^.10^-9	К_д=1,33^.10^-3

р- -сопряжение

Основность пиридина

Меньшая основность пиридина по сравнению с (СН₃)N объясняется различием в гибридизации: в (СН₃)N азот находится в состоянии sp³-гибридизации, а в пиридине – в sp²-гибридизации (Веселовская, 1982г).

Доля s-электронов на орбите, занятой неподеленной парой электронов, больше при sp²-гибридизации, чем при sp³-гибридизации, а s-электронное облако менее вытянуто и прочнее удерживается ядром (при sp³-гибридизации неподеленная пара состоит из 1 s-электрона и 1 sp³-гибридного электрона, при sp²-гибридизации – из 1 s-электрона и 1 sp²-гибридного электрона, один р-электрон расположен перпендикулярно плоскости кольца и участвует в образовании ароматического секстета).

Например,

	+ HCl
		хлористый пиридиний

б) пиридин образует комплексные соли с галоидными алкилами.

	+ C₂H₅I
	йодистый этил	N-этилпиридинийиодид

Эти соли непрочны, при нагревании изомеризуются с переходом радикала в положение 2 или 4 ( или ).

	T⁰
		-этилпиридинийиодид

		-этилпиридинийиодид

2) Реакции электрофильного замещения

Пиридин труднее вступает в эти реакции, чем бензол. В большинстве случаев это вызывается промежуточным образованием катиона пиридиния, где атом азота несет положительный заряд и влияет на кольцо как заместитель второго рода.

Механизм электрофильного замещения.

+X⁺

При присоединении в -положение резонансная стабилизация -комплекса не приводит к возникновению у азота 2-го положительного заряда.

Если бы присоединение происходило в -положение

+X⁺

мало вероятно

Нитрование, сульфирование и др. идут при высоких температурах и в основном в положение .

а) сульфирование

	+ HOSO₂OH		HOSO₂OH дым. (HgSO₄) кат.
		катион пиридиния (кислый сернокислый пиридиний)
-H₂O
	кислый сернокислый -пиридиний

б) нитрование

	+HONO₂		HONO₂ конц. 300⁰
		азотнокислый пиридиний		азотнокислый -нитропиридиний

При более высокой температуре образуются и другие изомеры.

3) Реакции нуклеофильного замещения

Благодаря электронооттягивающему действию азота ядро пиридина обедняется электронами, и атака нуклеофильных реагентов протекает легче, чем у бензола.

	+ KOH
		-оксипиридин

		-оксипиридин

Механизм нуклеофильного замещения

+Y^-

Граничные структуры (мезомерные формы аниона). Атака нуклеофильного реагента происходит в или -положение, в которых легче образуется -комплекс, т.к. его стабилизация не связана с образованием мезомерных форм, имеющих отрицательные заряды рядом с азотом.

4) Реакции окисления и восстановления

а) Окисление пиридина происходит трудно. При определенных условиях реакция может идти с образованием N-окиси.

(H₂O₂ + CH₃COOH)

Двойные связи при этом не затрагиваются. N-окись отличается от пиридина большей легкостью протекания реакций электрофильного замещения.

	100⁰ +KNO₃ (H₂SO₄ дым.)		+H₂O + KHSO₄
		N-окись паранитропиридина	кислый сернокислый калий

При этом реакция идет в -положение вследствие сопряжения ненасыщенных пар электронов с -электронами кольца.

б) окисление гомологов пиридина протекает довольно легко за счет окисления боковой цепочки с образованием пиридинкарбоновых кислот.

	+ 3 O (KMnO₄) –H₂O
-пиколин		-пиридинкарбоновая кислота (никотиновая)

в) восстановление пиридина протекает легче, чем у бензола.

	+ 6 H (Na+C₂H₅OH)
		пиперидин

При более энергичном гидрировании молекулярным водородом в присутствии катализаторов Pt, Pd и температуре 180⁰С происходит раскрытие цикла.

	Pt, Pd + 4 H₂ C₅H₁₁NH₂ 180⁰
	амиламин

Восстановление иодистым водородом приводит к отщеплению аммиака.

	280⁰ + 11 HI C₅H₁₂ + NH₄I + 5 I₂
	пентан йодистый аммоний

Реакционноспособность некоторых заместителей в пиридиновом кольце

Особенностью соединений, содержащих пиридиновые кольца, является то, что некоторые заместители, введенные в различные положения к атому азота, проявляют различную реакционную способность.

1) Реакционноспособная группа ОН в оксипиридинах

а) оксигруппа в положении 3 ( ) – ведет себя как фенольная – взаимодействует с NaOH, FeCl₃

б) соединения с оксигруппой в положениях 2 или 4 ( или ) существуют в таутомерном равновесии с кето-формой. Кислотные свойства их ниже и зависят от соотношения равновесных форм. Дают реакции спиртов и реакции кетоформы.

+ CH₂N₂

+ CH₃I

2) Реакционноспособная группа NH₂ в аминопиридине.

а) 3-аминопиридин по свойствам аналогичен ароматическим аминам: легко диазотируется, образуя соли диазония, которые распадаются с выделением азота и без выделения азота.

б) 2 и 4—аминопиридины существуют в таутомерных формах и дают реакции иминов.

H₂O

-NH₃

В обычных условиях не диазотируются, что объясняется малой устойчивостью диазокатиона.

3) реакционноспособность углеводородных радикалов при расположении радикала в или -положении очень сильно увеличивает подвижность атома Н в -положении к азоту.

а) взаимодействие и -пиколинов с С₄Н₉Zn;

+C₄H₉Li

C₄H₁₀ +

б) взаимодействие -пиколинов с бензальдегидом.

225⁰ (ZnCl₂)

-H₂O

4) Реакционноспособность атома галогена: в -положении – пониженная (как у галогена, связанного с ароматическим ядром); в и -положениях – пониженная (как у соединений жирного ряда или как у ароматических с группой NO₂ в о- и п-положениях). Легко замещается на NH₂, OH, OR, CN и другие.

Между собой такие молекулы могут образовывать соли с отщеплением иона галогена.