Blogg

Allt du behöver veta om pyridiner

Allt du behöver veta om pyridiner

Allt du behöver veta om pyridiner

Pyridin är det grundläggande heterocyklisk förening av azine slag. Pyridin härrör från bensen genom ersättning av CH-gruppen med N-atomen. Pyridinstrukturen är analog med bensenens struktur, eftersom den är relaterad till ersättningen av CH-gruppen med N. De huvudsakliga skillnaderna innefattar:

  1. Avvikelse från en perfekt vanlig hexagonal geometri på grund av närvaron av en heteroatom, för att vara specifik, de kortare kväve-kolbindningarna,
  2. Byte av en väteatom i ringets plan med det odelade elektronparet, som i ringen, som ligger i sp2-hybridomgången och inte involverad i en aromatisk p-elektronsxtät. Denna kväve lone parar den som är ansvarig för de grundläggande egenskaperna hos pyridiner,
  3. Den starka permanenta dipolen spårbar till en högre elektronegativitet hos kväveatomen jämfört med en kolatom.

Pyridinring förekommer i flera avgörande föreningar, inklusive niacin, pyridoxin, vitaminer och aziner.

En skotsk kemiker, Thomas Anderson, uppfann pyridin i 1849 som en av de föreningar som utgör benolja. Efter två år avledde Anderson ren pyridin genom fraktionerad destillation av benolja. Det är en mycket brandfarlig, färglös, vattenlöslig, svagt alkalisk vätska med en obehaglig distinkt, fiskliknande lukt.

Pyridin används alltid som en föregångare till läkemedel och agrokemikalier och är också ett viktigt reagens och lösningsmedel. Pyridin kan sättas till etanol om du vill göra den olämplig för konsumtion. Det är också användbart vid produktion av antihistaminiska läkemedel mepyramin och tripelennamin, in vitro syntes av DNA, vid framställning av sulfapyridin (läkemedel för behandling av virusinfektioner och bakterieinfektioner), såväl som baktericider, herbicider och vattenavstötningsmedel.

De flesta kemiska föreningarna, även om de inte är framställda av pyridin, innehåller en ringstruktur. Sådana föreningar innefattar B-vitaminer, såsom pyridoxin och niacin, nikotin, kvävehaltiga växtprodukter och anti-tuberkulosläkemedlet känt som isoniazid. Pyridin framställdes historiskt som en biprodukt av kolförgasning och från koltjära. Den kraftiga efterfrågan på pyridin ledde emellertid till utvecklingen av ekonomiska produktionsmetoder från ammoniak och acetaldehyd, och över 20,000 ton produceras per år över hela världen.

Nomenklaturen för pyridin

Det systematiska namnet pyridin, enligt Hantzsch-Widman-nomenklaturen som föreslagits av IUPAC, är azin. Men systematiska namn för basiska föreningar används sällan; i stället följer nomenklaturen för heterocykler etablerade gemensamma namn. IUPAC uppmuntrar inte användningen av azin när man hänvisar till pyridin.

Nummeringen av ringatomer i azin börjar vid kvävet. En fördelning av positionerna med det grekiska alfabetbrevet (a-y) och nomenklaturens substitutionsmönster som är typiskt för de homoaromatiska systemen (para orto, meta,) används ibland. Här hänvisar α, β och γ till respektive två, tre respektive fyra positioner.

Systematiskt namn för derivaten av pyridin är pyridinyl, där ett tal föregår den substituerade atompositionen föregås av ett tal. Men det historiska namnet pyridyl rekommenderas av IUPAC och används ofta i stället för det systematiska namnet. Det derivat som bildas genom tillsats av en elektrofil till kväveatomen är känd som pyridinium.

4-brompyridin

2,2'-bipyridin

Dipikolinsyra (pyridin-2,6-dikarboxylsyra)

Den grundläggande formen av pyridiniumkatjon

Produktion av pyridin

Pyridin erhölls som biprodukt av kolförgasning eller extraherad från koltjära. Denna metod var ineffektiv och arbetskrävande: koltjära har omkring 0.1-procent pyridin, och därmed behövdes en flerstegsrening vilket reducerade produktionen ytterligare. Idag tillverkas de flesta pyridin syntetiskt med flera namnreaktioner, och de vanligaste beskrivs nedan.

Pyridin Syntes genom Bohlmann-Rahtz

Pyridin Syntes genom Bohlmann-Rahtz möjliggör generation av substituerade pyridiner i två stora steg. Kondensationen av enaminer som använder etynylketoner resulterar i en aminodien-mellanprodukt, vilken efter värmeinducerad isomerisering genomgår cyklodehydratisering för att producera 2,3,6-trisubstituerade pyridiner.

Pyridin Syntes genom en Bohlmann-Rahtz-mekanism

Mekanismen är relaterad till den populära Hantzsch Dihydropyridin Synthesis därin situgenererad enamin och enonart producerar dihydropyridiner. Även om Bohlmann-Rahtz Synthesis är mycket mångsidig, är rening av mellanliggande och oerhört höga temperaturer som behövs för cyklodehydrering utmaningar som har begränsat användbarheten. De flesta utmaningarna har blivit överskattade, vilket gör Bohlmann-Rahtz Synthesis mer viktigt i pyridiner generation.

Trots att ingen mekanisk forskning har gjorts kan intermediärer karakteriseras av H-NMR. Detta visar att huvudprodukten av den första Michael Additionen och den följande protonöverföringen kan vara en 2Z-4E-heptadien-6-en som extraheras och renas genom kolonnkromatografi.

Otroligt höga cyklodehydratiseringstemperaturer behövs därför för att underlätta Z/E isomeriseringar som är en förutsättning för heteroannelering.

Flera metoder som möjliggör syntes av tetra- och trisubstituerade pyridiner i ett enstegsförfarande har nyligen utvecklats. Istället för att använda butynon som substrat testade Bagley olika lösningsmedel för omvandling av mindre flyktigt och billigt 4- (trimetylsilyl) men-3-yn-2-en. Det visades att endast DMSO och EtOH är ideala lösningsmedel. EtOH är klart föredragen som polärt och protiskt lösningsmedel vs. DMSO som det polära aprotiska lösningsmedlet. I de två lösningsmedlen ägde protodesilylering spontant sig. Bagley har också visat att syrakatalys tillåter cyklodehydrering att fortsätta vid en lägre temperatur.

Syrakatalys ökar dessutom konjugattillägget. Ett brett spektrum av enaminer reagerades med etynylketoner i (5: 1) -blandningen av ättiksyra och toluen för att ge funktionaliserade pyridiner i ett steg i utmärkt utbyte.

Efter framgången med Brønstedt-syrakatalysen undersökte kemisten möjligheten hos Lewis-syrakatalysatorer. Bäst betingelser Användes antingen tjugo mol% ytterbiumtriflat eller femton mol% zinkbromid i återlopps-toluenet. Trots att den mekanistiska forskningen inte gjordes kan vi anta att katalysatorns samordning ökar cyklodehydreringen, Michael Addition och isomeriseringsstegen.

Nackdelen är den begränsade kompatibiliteten med de syrakänsliga substraten. Exempelvis sker surkatalyserad sönderdelning av enaminerna med cyano och tert-butylester som elektronutdragande grupper. Ett annat mildt alternativ är tillämpningen av Amberlyst-15 jonbytesreagens som tolererar tert-butylesters.

Eftersom enaminerna inte är tillgängliga och för att förbättra förfarandet i processen utfördes en 3-komponentreaktion med användning av ammoniumacetat som källa till aminogruppen. I detta effektiva förfarande genereras enamin in situ som reagerar med alkynon närvarande.

I den första försöket, ZnBr2 och AcOH applicerades som extra katalysatorer med toluen som lösningsmedel. Emellertid har det sedan visat sig att sura känsliga substrat reagerar alltid i en mild miljö med EtOH som ett lösningsmedel.

Chichibabinsyntes

Chichibabin-pyridinsyntesen rapporterades först i 1924 och är fortfarande en stor tillämpning inom kemisk industri. Det är en ringbildande reaktion, som innefattar kondensationsreaktionen av aldehyder, ketoner, a, p-omättade karbonylföreningar. Vidare kan den övergripande formen av reaktionen innefatta vilken som helst kombination av ovanstående produkter i ren ammoniak eller dess derivat.

En formation av Pyridin

Kondensation av formaldehyd och acetaldehyd

Formaldehyd och acetaldehyd är huvudsakligen källorna till osubstituerad pyridin. Åtminstone är de överkomliga och ganska tillgängliga.

  1. Det första steget innefattar bildning av akrolein från formaldehyd och acetaldehyd genom Knoevenagel-kondensation.
  2. Slutprodukten kondenseras därefter från akrolein med acetaldehyd och ammoniak, vilket bildar dihydropyridin.
  3. Slutprocessen är en oxidationsreaktion med en fast-tillståndskatalysator för att ge pyridin.
  4. Ovanstående reaktion utförs i en gasfas med ett temperaturintervall av 400-450 ° C. Den bildade föreningen består av pyridin, pikolin eller enkla metylerade pyridiner och lutidin. Kompositionen är dock föremål för katalysatorn som används och i viss utsträckning varierar den med tillverkarens krav. Katalysatorn är typiskt ett övergångsmetallsalt. De vanligaste är mangan (II) fluorid eller kadmium (II) fluor, även om tallium och koboltföreningar kan vara alternativ.
  5. Pyridinen utvinns från biprodukterna i ett flertågs process. Huvudbegränsningen av Chichibabin-pyridinsyntes är dess låga utbyte, vilket översätter till omkring 20% av slutprodukterna. Av denna anledning är de omodifierade formerna av denna förening mindre utbredda.

Bönnemann-cyklisering

Bönnemann-cyklisering är bildandet av en trimer från kombinationen av två delar acetylenmolekyl och en del av en nitril. I själva verket är processen en modifiering av Reppesyntesen.

Mekanismen underlättas antingen genom värme från förhöjda temperaturer och tryck eller genom fotoinducerad cykloaddition. Vid aktivering av ljus kräver Bönnemann-cyklisering CoCp2 (cyklopentadienyl, 1,5-cyklooktadien) för att fungera som en katalysator.

Denna metod kan producera en kedja av pyridinderivat beroende på de använda föreningarna. Exempelvis kommer acetonitril att ge 2-metylpyridin, som kan genomgå dealkylering för att bilda pyridin.

Andra metoder

Kröhnke-pyridinsyntesen

Denna metod använder pyridin som ett reagens, även om det inte kommer att ingå i slutprodukten. I motsats härtill kommer reaktionen att generera substituerade pyridiner.

När det omsätts med a-bromoestrar, genomgår pyridin en Michael-liknande reaktion med de omättade karbonylerna för att bilda den substituerade pyridin- och pyridiumbromiden. Reaktionen behandlas med ammoniakacetat inom 20-100 ° C milda betingelser.

Den Ciamician-Dennstedt omläggningen

Detta medför ring-expansion av pyrrol med diklorkarbensen som bildar 3-klorpyridin.

Gattermann-Skita-syntesen

I denna reaktion reagerar malonatestersaltet med diklormetylamin i närvaro av en bas.

Boger-pyridinsyntes

Reaktioner av pyridiner

Följande reaktioner kan förutsägas för pyridiner från deras elektroniska struktur:

  1. Heteroatom gör pyridiner mycket oreaktiva mot normala elektrofila aromatiska substitutionsreaktioner. Omvänt är pyridiner mottagliga för nukleofil attack. Pyridiner genomgår elektrofila substitutionsreaktioner (SEAr) mer motvilligt men nukleofil substitution (SNAr) lättare än bensen.
  2. Elektrofila reagenser attackerar företrädesvis vid Natom och vid bC-atomer, medan nukleofila reagenser föredrar a- och cC-atomer.

Elektrofil tillsats vid kväve

I reaktioner som involverar bindningsbildning med användning av det ensamma elektronparet på ringkvävet, såsom protonering och kvaternisering, uppträder pyridiner precis som tertiära alifatiska eller aromatiska aminer.

När en pyridin reagerar som en bas eller en nukleofil bildar den en pyridiniumkatjon i vilken den aromatiska sekstetten bibehålles och kvävet förvärvar en formell positiv laddning.

Protonering vid kväve

Pyridiner bildar kristallina, ofta hygroskopiska salter med de flesta protiska syror.

Nitrering vid kväve

Detta sker lätt genom reaktion av pyridiner med nitroniumsalter, såsom nitroniumtetrafluorborat. Protiska nitreringsmedel, såsom salpetersyra, leder naturligtvis endast N-protonering.

Acylering vid kväve

Syraklorider och arylsulfonsyror reagerar snabbt med pyridiner som alstrar 1-acyl- och 1-arylsulfonylpyridiniumsalter i lösning.

Alkylhalogenider och sulfater reagerar lätt med pyridiner vilket ger kvaternära pyridiniumsalter.

Nukleofila substitutioner

Till skillnad från bensen kan flera nukleofila substitutioner effektivt och effektivt upprätthållas med pyridin. Det beror på att ringen har en något lägre elektrondensitet hos kolatomerna. Dessa reaktioner innefattar ersättningar med avlägsnande av en hydridjon och elimineringstillägg för att erhålla en mellanliggande arynkonfiguration och fortsätter vanligtvis till 2- eller 4-positionen.

Pyridin enbart kan inte resultera i bildandet av flera nukleofila substitutioner. Modifiering av pyridin med brom, sulfonsyrafragment, klor och fluor kan emellertid resultera i en lämnande grupp. Bildningen av organolithiumföreningar kan återvinnas från den bästa lämnande gruppen fluor. Vid högt tryck kan nukleofil reagera med alkoxider, tiolater, aminer och ammoniakföreningar.

heterocyklisk reaktioner kan uppstå på grund av att man använder en dålig lämnande grupp, såsom hydridjon. Pyridinderivat vid 2-positionen kan erhållas genom Chichibabin-reaktion. 2-aminopyridin kan fortsättningsvis uppnås när natriumamid används som nukleofilen. Vätgasmolekylen bildas när protonerna i aminogruppen kombineras med hydridjon.

Liknar bensen, pyridiner mellanprodukter såsom heteroaryn kan erhållas genom nukleofila substitutioner till pyridin. Användningen av starka alkaliner, såsom natrium- och kalium-tert-butoxid, kan hjälpa till att bli av med pyridinderivat när man använder höger som lämnar gruppen. Efter införandet av nukleofilen i trippelbindningen sänker den selektiviteten och leder till bildandet av en blandning som har två möjliga addukter.

Elektrofila substitutioner

Flera pyridinelektrofiliska substitutioner kan antingen fortsätta upp till någon punkt eller fortsätta inte helt. Å andra sidan kan det heteroaromatiska elementet stimuleras genom funktionalisering av elektrondonation. Friedel-Crafts alkylering (acylering) är ett exempel på alkyleringar och acyleringar. Aspekten misslyckas med att genomgå pyridin eftersom det resulterar i tillsats av kväveatom. Substitutionerna sker huvudsakligen i trepositionen, vilket är en av de elektronrika kolatomerna som ligger i ringen och gör den benägen att elektrofilera.

Struktur av pyridin-N-oxid

Elektrofila substitutioner kan resultera i förändring av positionen av pyridin vid 2- eller 4-position på grund av den negativa a-komplexa kraftiga reaktionen. Experimentella metoder kan emellertid användas medan man utför elektrofil substitution på pyridin-N-oxid. Det följs senare av kväveatomdeoxygenering. Därför är införandet av syre känt att sänka densiteten på kväve och förbättra substitution vid 2-position och 4-positionskolor.

Föreningar av divalent svavel eller trivalent fosfor är kända för att lätt oxideras, varför huvudsakligen används för att avlägsna syreatom. Trifenylfosfinoxid är en förening som bildas efter oxidation av trifenylfosfinreagens. Det är ett annat reagens som kan användas för att bli av med en syreatom från ett annat element. Informationen nedan beskriver hur vanlig elektrofil substitution reagerar med pyridin.

Direkt pyridin nitrering kräver vissa hårda förhållanden, och det har generellt lite utbyte. Reaktionen av dinitrogenpentoxid med pyridin i närvaro av natrium kan resultera i bildning av 3-nitropyridin. Derivaten av pyridin kan erhållas genom nitrering av nitroniumtetrafluorborat (NO2BF4) genom att plocka kväveatom steriskt och elektroniskt. Syntes av två föreningar av 6-dibrompyridin kan resultera i bildning av 3-nitropyridin efter avlägsnande av bromatomer.

Direkt nitrering anses vara bekvämare än direkt sulfonering av pyridin. Kokning av pyridin vid 320 ° C kan resultera i pyridin-3-sulfonsyra snabbare än kokande svavelsyra vid samma temperaturer. Tillsatsen av svavelelementet till kväveatomen kan erhållas genom att reagera SO3-gruppen i närvaro av kvicksilver (II) sulfat som verkar som en katalysator.

Direkt klorering och bromering kan fortsätta bra till skillnad från nitrering och sulfonering. 3-brompyridin kan erhållas genom reaktion av molekylbrom i svavelsyra vid 130 ° C med pyridin. Vid kloreringen kan resultatet av 3-klorpyridin vara lågt i närvaro av aluminiumklorid som verkar som en katalysator vid 100 ° C. Direkt reaktion av halogen och palladium (II) kan resultera i både 2-brompyridin och 2-klorpyridin.

Användningar av pyridin

Ett av de råmaterial som är helt avgörande för de kemiska fabrikerna är pyridin. I 1989 var den totala produktionen av pyridin över hela världen 26K ton. Från och med 1999 var 11 av 25s största pyridinproduktionsställen belägna i Europa. De stora pyridinproducenterna inkluderade Koei Chemical, Imperial Chemical Industries och Evonik Industries.

I de tidiga 2000: erna ökade produktionen av pyridin med en hög marginal. Till exempel slog fastlandet Kina en årlig produktionskapacitet på 30,000 ton. Idag resulterar joint venture mellan USA och Kina i världens högsta pyridinproduktion.

Bekämpningsmedel

Pyridin används huvudsakligen som en föregångare till två herbicider diquat och paraquat. Vid framställning av pyrithionbaserade fungicider används pyridin som basförening.

Reaktionen mellan Zincke och pyridin resulterar i framställning av två föreningar - laurylpyridinium och cetylpyridinium. På grund av deras antiseptiska egenskaper läggs de två föreningarna till tandvårdsprodukterna.

En attack av ett alkyleringsmedel till pyridin resulterar i N-alkylpyridiniumsalter, cetylpyridiniumklorid är ett exempel.

Paraquatsyntes

Lösningsmedel

En annan applikation i vilken pyridin används är i Knoevenagel-kondensationer, varigenom den används som ett lågreaktivt, polärt och basiskt lösningsmedel. Pyridin är särskilt idealisk för dehalogenering, där den tjänar som basen för elimineringsreaktion under bindning av den resulterande vätehalogeniden för att bilda pyridiniumsalt.

Vid acyleringar och förestringar aktiverar pyridin anhydriderna eller karboxylsyrahalogeniderna. Ännu mer aktiv i dessa reaktioner är 4- (1-pyrrolidinyl) pyridin och 4-dimetylaminopyridin (DMAP), som är pyridinderivat. Vid kondensationsreaktioner appliceras pyridin typiskt som en bas.

Bildning av pyridinium genom elimineringsreaktion med pyridin

Pyridin är också ett viktigt råmaterial i textilindustrin. Förutom att användas som lösningsmedel vid framställning av gummi och färgämnen, används det också för att förbättra bomullens nätkapacitet.

US Food and Drug Administration godkänner tillsatsen av pyridin i små kvantiteter till livsmedel för att ge dem en bitter smak.

I lösningar ligger detektionsgränsen för pyridin runt 1-3 mmoll-1 (79-237 mg · L-1). Som en bas kan pyridin användas som ett Karl Fischer-reagens. Imidlertid användes imidazol vanligen som ett substitut till pyridin eftersom den (imidazol) har en trevlig lukt.

Förstadie till Piperidin

Pyridinhydrogenering med rutenium-, kobolt- eller nickelbaserad katalysator vid höga temperaturer resulterar i produktion av piperidin. Detta är en väsentlig kväve heterocykel som är ett viktigt syntetiskt byggstenar.

Specialreagenser baserade på pyridin

I 1975 utvecklade William Suggs och James Corey pyridiniumklorokromat. Det appliceras för att oxidera sekundära alkoholer till ketoner och primära alkoholer till aldehyder. Pyridiniumklorokromat erhålls vanligen när pyridin sättes till lösningen av koncentrerad klorvätesyra och kromsyra.

C5H5N + HCl + CrO3 → [C5H5NH] [CrOs3cl]

Med kromylkloriden (CrO2Cl2) var cancerframkallande, måste man söka en alternativ väg. En av dem är att använda pyridiniumklorid för att behandla krom (VI) oxid.

[C5H5NH+] Cl- + CrO3 → [C5H5NH] [CrOs3cl]

Sarretreagenset (komplexet av krom (VI) oxid med pyridin-heterocykel i pyridin), pyridiniumklorokromat (PCC), Cornforth-reagenset (pyridiniumdikromat, PDC) och Collins-reagenset (komplexet av krom (VI) oxid med pyridin heterocykel i diklormetan) är jämförbara krom-pyridinföreningar. De appliceras också för oxidation, såsom omvandling av sekundära och primära alkoholer till ketoner.

Sarret- och Collins-reagenserna är inte bara knepiga att förbereda, men de är också farliga. De är hygroskopiska och är känsliga för antändning under förberedelseprocessen. Följaktligen rekommenderades användning av PDC och PCC. Medan de två reagenserna kraftigt användes i 70 och 80, används de sällan för närvarande på grund av deras toxicitet och bekräftad karcinogenicitet.

Strukturen av Crabtrees katalysator

I koordineringskemi användes pyridin i stor utsträckning som en ligand. Det är derivat, liksom dess derivat 2,2'-bipyridin, innefattande 2-pyridinmolekyler bundna av ett enkelbindning och terpyridin, en molekyl av 3-pyridinringar kopplade ihop.

En starkare Lewis-bas kan användas som ersättning för en pyridinligand som ingår i ett metallkomplex. Denna egenskap utnyttjas i katalys av polymerisations- och hydreringsreaktioner, med användning av exempelvis Carabtrees katalysator. Den pyridin Lingard som är substituerad under reaktionen återställs efter det att den har fullbordats.

referenser

Nomenklatur för organisk kemi: IUPAC-rekommendationer och föredragna namn 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. s. 141.

Anderson, T. (1851). "Ueber die Produkte der trocknen Distillation Thierischer Materien" [På produkterna av torr destillation av djurämnen]. 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.