Какими свойствами обладает пиридин

Пиридин С5Н5N – простейший шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота. Его можно рассматривать как аналог бензола, в котором одна группа СН заменена на атом азота.

Электронное строение молекулы пиридина

Электронное строение молекулы пиридина сходно со строением бензола. Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. Все s-связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями, углы между ними составляют примерно 120°. Поэтому цикл имеет плоское строение. Шесть электронов, находящихся на негибридных р-орбиталях, образуют p-электронную ароматическую систему.

Из трех гибридных орбиталей атома азота две образуют s-связи С–N, а третья содержит неподеленную пару электронов, которая не участвует в образовании p-электронной системы.

Физические свойства

Пиридин – бесцветная жидкость с характерным неприятным запахом, Ткип= 1150С. Хорошо растворяется в воде и органических жидкостях. Ядовит! Вдыхание его паров может привести к тяжелому поражению нервной системы.

Химические свойства

Химические свойства пиридина определяются наличием ароматической системы и атома азота с неподеленной электронной парой.

Основные свойства

Неподеленная электронная пара атома азота в молекуле не участвует в образовании единой π-электронной системы, поэтому пиридин подобно аминам, проявляет свойства основания. Пиридин – более слабое основание, чем алифатические амины.

1. Взаимодействие с водой

Водный раствор пиридина окрашивает лакмус в синий цвет.

2. Взаимодействие с кислотами

При взаимодействии пиридина с сильными кислотами образуются соли пиридиния.

Ароматические свойства

1. Реакции электрофильного замещения

Наряду с основными свойствами пиридин проявляет свойства ароматического соединения.

Нитрование

Подобно бензолу, пиридин вступает в реакции электрофильного замещения, однако его активность в этих реакциях ниже, чем у бензола, из-за большой электроотрицательности атома азота. Азот как более электроотрицательный элемент оттягивает электроны на себя и понижает плотность электронного облака в кольце, в особенности в положениях 2, 4 и 6 (орто- и пара- положения), создавая частичный отрицательный заряд в мета-положении.

Атом азота в реакциях электрофильного замещения ведет себя как заместитель II рода, электрофильное замещение идет в положение 3 (мета-положение).

Поэтому реакция нитрования пиридина проходит в более жестких условиях, чем у бензола ( при 3000С) и с низким выходом.

2. Реакции присоединения (гидрирование)

Как и бензол, пиридин  может присоединять водород в присутствии катализатора с образованием насыщенного соединения пиперидина.

Пиперидин представляет собой циклический вторичный амин и является гораздо более сильным основанием, чем пиридин.

3. Реакции нуклеофильного замещения

Аминирование

В отличие от бензола, пиридин способен вступать в реакции нуклеофильного замещения, поскольку атом азота оттягивает на себя электронную плотность из ароматической системы, и орто-пара-положения по отношению к атому азота обеднены электронами. Так, пиридин может реагировать с амидом натрия, образуя смесь орто- и пара- аминопиридинов (реакция Чичибабина).

4. Гомологи пиридина по свойствам похожи на гомологи бензола. Так, при окислении боковых цепей образуются соответствующие карбоновые кислоты.

Пиридин, как и бензол, устойчив по отношению к окислителям: он не обесцвечивает раствор перманганата калия даже при нагревании.

Получение

1. Выделение из каменноугольной смолы

Пиридин выделяют из каменноугольной смолы, в которой его содержание составляет 0,08%.

2. Синтез из ацетилена и циановодорода

В лабораторных условиях пиридин можно синтезировать из синильной кислоты (циановодород) и ацетилена:

Биологическая роль

Гомолог пиридина – 3-метилпиридин (β-пиколин) – при окислении образует никотиновую кислоту:

Никотиновая кислота и ее амид – никотинамид

представляют собой две формы витамина РР, который применяется для лечения пеллагры (кожное заболевание).

Многие производные пиридина играют важную роль в природе и жизни человека: они являются витаминами, биологически активными веществами, лекарственными препаратами, красителями и т.п.

Проявляя основные свойства, пиридин и его гомологи известны под общим названием пиридиновые основания.

Гетероциклические соединения

Неподеленная пара электронов атома азота в пиридине находится на sp2-гибридной орбитали и не участвует в сопряжении, поэтому пиридин про­являет основные свойства и с сильными кислотами образует кристаллические пиридиниевые соли.

Соли пиридиния сохраняют ароматический характер, так как протониро­вание осуществляется за счет неподеленной пары электронов, не участвую­щей в образовании ароматического секстета. Для замещенных пиридинов в основном соблюда­ются общие закономерности: электронодонорные заместители увеличивают основность, а электроноакцепторные понижают ее.

Нуклеофильные свойства пиридина:

Пиридиновый атом азота способен взаимодействовать и со многими электрофильными реагента­ми, проявляя тем самым и нуклеофильные свойства.

Реакции с электрофильными реагентами. В молекуле пиридина имеется два реакционных центра, способных при­нимать атаку электрофильными реагентами:

• атом азота с неподеленной парой электронов;

• π-электронная система ароматического кольца.

Присоединение к атому азота. Помимо протона, атом азота может при­соединять и другие электрофильные частицы, превращаясь в катион пиридиния.

Алкилирование. Получаемые при этом N-алкилпиридиниевые соли сохра­няют ароматическим характер, так как в результате реакции ароматическим секстет электронов не нарушается.

Ацилирование. Образуются N-ацилпиридиниевые соли (они гидролизуются влагой воздуха).

Сульфирование. Обра­зуется пиридиний-1-сульфонат, более известный под назва­нием пиридинсульфотриоксид — весьма реакционно­способное соединение, гидролизующееся горячей водой.

Нитрование. Образующееся при этом N-нитропроизводное применяется в качестве мягкого нитрующего реагента некислотного характера, как показано на примере нитрования бензола:

Замещение по атомам углерода. Хотя электрофильные реагенты атакуют в первую очередь нуклеофильный атом азота, такие реакции часто обратимы и даже в кислых средах присутствует небольшое количество свободного осно­вания. Поэтому реакции электрофильного замещения в ряду пиридина воз­можны, но протекают в жестких условиях и настолько затруднены, что неко­торые из известных реакций этого типа вовсе не идут с пиридинами.

Предпочтительная атака электрофилом β-положения объясняется не только распределением электронной плотности в статическом состоянии, но и большей стабильностью образующегося при β-атаке α-комп­лекса.

Нитрование. Пиридин нитруется в ядро в очень жестких условиях.

Сульфирование. Пиридин очень устойчив к действию концентрирован­ной серной кислоты и олеума. Сульфирование протекает значительно легче в присутствии каталитических количеств солей ртути(П) или хлорида алюминия.

Галогенирование. Бромирование пиридина успешно осуществляется в присутствии олеума.

Азины. Ненасыщенные шестичленные гетероциклы, содержащие один или более атомов азота, называются азинами. Представители с двумя атомами азота классифицируются как диазины. Изомерные диазины — пиридазин, пирими­дин и пиразин — представляют собой устойчивые соединения, однако в сво­бодном виде они в природе не встречаются.

Диазины содержат по два атома азота пиридинового типа и облада­ют основными свойствами. Однако основность диазинов значительно ниже, чем пиридина, поскольку второй атом азота выступает в роли электроноакцептора по отношению к первому. Протониро­вание диазинов осуществляется только в очень сильных кислотах, и соли об­разуются с участием лишь одного атома азота.

Нуклеофильный характер диазинов проявляется в реакции с алкилгалогенидами, которая приводит к образованию четвертичных солей (здесь и далее в качестве примеров использован пиримидин — наиболее значимый и изу­ченный из диазинов). Диазины вступают в эту реакцию труднее, чем пири­дин.

Вследствие электроноакцепторного характера атомов азота понижена ре­акционная способность диазинов и в реакциях электрофильного замещения. Незамещенные диазины еще менее активны, чем пиридин, и не подвергаются сульфированию, нитрованию и многим другим реакциям замещения. Извест­ны лишь некоторые реакции галогенирования. Так, бромирование пиримидина приводит к за­мещению положения 5, которое равноценно β-положению в ядре пиридина и дезактивировано в меньшей степени, чем положения 2, 4 или 6.

Гидроксипиридины. Для всех трех изомерных гидроксипиридинов харак­терно явление таутомерии. 2- и 4-Гидроксипиридинам таутомерны их оксоформы, которые называются соответственно пиридон-2 и пиридон-4. В полярных растворителях и в кристаллическом состоянии пиридонные фор­мы, исходя из спектральных данных, явно преобладают, что связано с боль­шим сродством к протону атома азота, нежели атома кислорода.

3-Гидроксипиридин в растворе находится в равновесии со своим диполярным ионом. Несмотря на существенные различия в строении рассмотрен­ных изомеров, их часто объединяют одним названием — гидроксипиридины.

Поскольку пиридон-2 является типичным лактамом (циклическим ами­дом), а его гидроксиформа включает таутомер амидной группы — лактимную группировку —C(=NR)ОH, то такое равновесие называют лактим-лактамной таутомерией. Этот вид таутомерии характерен не только для 2-гидрокси-пиридина, но и для других гетероциклических систем, содержащих гидро­ксильную группу у атома углерода, соседнего с пиридиновым атомом азота.

Представители.

Пиридин и его производные — основа пиридиновых алкалоидов, а также многих ЛС. Используют пиридин также в синтезе красителей, инсектицидов, применяют для денатурации спирта. Пиридин — хороший растворитель, в т.ч. для многих неорганических солей. Токсичен, вдыхание его паров приводит к поражению нервной системы.

Хинолин — высококипящий слабоосновный растворитель. Производные хинолина — основа производства многих лекарственных препаратов (энтеросептола, аминохинола, трихомонацида, хиноцида), а также цианиновых красителей. Ядро хинолина входит в состав хинолиновых алкалоидов.

Изохинолин. Изохинолин — исходный продукт при синтезе сенсибилизирующих красителей (изохинолинового красного) и ЛС. Ядро изохинолина входит в состав изохинолиновых алкалоидов.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом: реакции электрофильного и нуклеофильного замещения пиридина(муть)и хинолина, условия проведения; 8–гидроксихинолин и его производные, применяемые в медицине.

Одно из существенных отличий пиридина от бензола состоит в проявле­нии основных свойств с образованием устойчивых солей. Пиридиновый атом азота способен взаимодействовать и со многими электрофильными реагента­ми, проявляя тем самым и нуклеофильные свойства.

Другое отличие заключается в пониженной активности пиридина и его производных в реакциях электрофильного замещения и одновременно в боль­шей активности в реакциях нуклеофильного замещения, что не свойственно бензолу. Направление атаки обусловлено неравномерным распределением электронной плотности в кольце. Электрофильные реагенты атакуют β-положения (атомы С-3 и С-5), нуклеофильные реагенты — α- и γ-положения (С-2, С-4, С-6).

Электрофильное замещение в пиридине осуществляется с трудом и с невысокими выходами продуктов.

Реакции с электрофильными реагентами. В молекуле пиридина имеется два реакционных центра, способных при­нимать атаку электрофильными реагентами:

• атом азота с неподеленной парой электронов;

• π-электронная система ароматического кольца.

Реакции с нуклеофильными реагентами. В общем виде:

К реакциям нуклеофильного замещения относятся реакции аминирования, гидроксилирования и алкилирования (арилирования), т. е. непосредст­венного введения нуклеофильных групп в кольцо пиридина или его гомоло­гов.

Аминирование. Прямое введение аминогруппы в пиридиновое ядро, на­зываемое реакцией Чичибабина, представляет собой наиболее типичный пример нуклеофильного замещения. Реакцию обычно проводят при нагрева­нии пиридина и амида натрия или калия в безводных апротонных раствори­телях. В обоих случаях с высокой избирательностью атакуется α-положение, а когда оба α-положения заняты, то образуется γ-изомер, но с меньшим выходом.

Реакция аминирования находит широкое применение, поскольку из аминопиридинов могут быть легко получены разнообразные производные пиридина.

Гидроксилирование. Реакция протекает в очень жестких условиях и с низким выходом продукта, поскольку нуклеофильность гидроксид-иона ниже, чем амид-иона. Практи­ческое значение этой реакции невелико.

Алкилирование и арилирование. Такие сильные нуклеофильные реаген­ты, как литийорганические соединения, легко присоединяются к пиридину, образуя соли 1,2-дигидропиридина, которые иногда даже могут быть выделены в индивидуальном состоянии. Возврат к ароматической системе путем отщепления гидрид-иона достигается термически или действием окислителя.

Как и в реакции Чичибабина, замещение происходит преимущественно в положения 2 или 2,6 (с избытком реагента).

Хинолин и представляют собой изомерные конденсирован­ные системы пиридина и бензола, различающиеся способом сочленения ко­лец. Будучи изоэлектронными нафталину, оба гетеро­цикла сочетают в себе химические свойства пиридина и нафталина.

Основные и нуклеофильные свойства. Основность и нуклеофильные свойства хинолина и изохинолина, как и пиридина, обусловлены неподеленной парой электронов атома азота, не участвующей в сопряжении. С сильными кислотами хи­нолин образует соли, а с алкилгалогенидами — четвертичные соли N-алкилхинолиния:

Реакции электрофильного замещения. Из двух ароматических колец хинолина гетероциклическое кольцо явля­ется π-недостаточным, следовательно, электрофильной атаке, особенно в сильнокислых средах, подвергается бензольное ядро. По тем же причинам, что и для нафталина, преимущественно атакуются атомы С-5 и С-8, т. е. соседние с местами сочленения циклов.

В целом реакции электрофильного замещения для хинолина протекают значительно легче, чем для пиридина, но гораздо труднее, чем для наф­талина.

При действии на хинолин нитрующей смеси с высоким выходом образу­ются изомерные нитропроизводные:

Галогенирование хинолина представляет собой достаточно сложный про­цесс, результат которого во многом зависит от условий. Так, при действии брома в концентрированной серной кислоте при нагрева­нии получается смесь 5-бромо- и 8-бромохинолинов в соотношении ~1:1. Неожиданный продукт замещения в пиридиновое кольцо образуется при ки­пячении хинолина с бромом в отсутствие сильных кислот:

При сульфировании хинолина концентрированной серной кислотой (при температуре 220 °С) или олеумом (при 90 °С) образуется главным образом 8-сульфоновая кислота.

Из последней щелочным плавлением получают 8-гидроксихинолин (оксин). Оксин широко применяется в аналитической химии как реагент, связы­вающий ионы многих металлов в виде плохо растворимых в воде хелатных со­единений. Сам оксин (в виде сульфата — препарат хинозол) и его производное нитроксолин используют в медицине как противомикробные средства. Полагают, что их действие основано на связывании ионов Со2+, необходимых для жизнедеятельности бактерий.

Реакции нуклеофильного замещения. Прямое введение аминогруппы действием амида натрия приводит к продукту замещения преимущественно в положение 2, подобно тому, как это отмечено для пиридина.

Гидроксилирование хинолина достигается нагреванием с расплавленным гидроксидом калия и протекает как 1,2-присоединение. Конечный продукт представляет собой более устойчивую лактамную форму 2-гидроксихинолина.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом: гомологи пиридина; a–,β–,g–пиколины и их окисление; никотиновая и изоникотиновая кислоты; амид никотиновой кислоты (витамин РР), гидразид изоникотиновой кислоты (изониазид).

По химическому поведению многие производ­ные пиридина принципиально не отличаются от аналогичных производных бензольного ряда.

Алкилпиридины. Низшие гомологи пиридина имеют тривиальные назва­ния: метилпиридины называются пиколинами (соответственно α-, β- и γ-пиколины).

Характерным свойством алкилпиридинов является подвижность атомов водорода при атоме углерода, непосредственно связанном с циклом, или, иными словами, CH-кислотность в месте присоединения алкильной группы к кольцу. Способность отщеплять протон в ряду изомерных пиколинов падает в ряду: γ > α >> β. При действии сильных оснований 2- и 4-алкилпиридины превращаются в анионы, способные выступать в качестве нуклеофильных реагентов. Реакция с алкилгалогенидами приводит к удлинению боковой цепи пиридина, причем вместе с алкильной группой могут быть введены и некоторые функциональ­ные группы

Окислительное расщепление. Пиридиновое кольцо, подобно бензольно­му, устойчиво к действию окислителей при обычных температурах. Было показано, что окисление перманганатом в щелочной среде приводит к разрыву пиридинового кольца, а в кислой среде легче разрывается бензольное кольцо.

Боковые цепи алкилпиридинов окисляются легче самого цикла с обра­зованием соответствующих карбоновых кислот, аналогично тому, как это происходит с гомологами бензола. Этим способом в промышленном масшта­бе из β-пиколина получают никотиновую кислоту, которая, как и ее амид, является Vit PP. Ряд других производных никотиновой кислоты также применяют в медицине, например стимулятор ЦНС кордиамин (N,N-диэтиламид) и желчегонное средство никодин (N-гидроксиметиламид).

Окисление γ-пиколина приводит к образованию изоникотиновой кисло­ты — промежуточного продукта синтеза противотуберкулезных препаратов изониазида и фтивазида, антидепрессанта ниаламида, пред­ставляющих собой гидразид или замещенные гидразиды изоникотиновой кислоты.

Шестичленные кислородсодержащие гетероциклы с одним гетероатомом: неустойчивость a– и g–пиранов; a– и g–пироны, соли пирилия, их ароматичность. Бензопироны: хромон, кумарин, флавон, флавоноиды (лютеолин, кверцетин).

Производные кислородсодержа­щих гетероциклов — пиранов. К ненасыщенным шестичленным гетероцик­лам с одним атомом кислорода относятся 2Н-пиран и 4Н-пиран, назы­ваемые также α-пираном и γ-пираном соответственно:

Пираны по структурным критериям не относятся к ароматическим соеди­нениям, хотя в их молекулах можно вычленить р,π-сопряженные участки и число электронов, принимающих участие в сопряжении, равно шести (число Хюккеля). В целом же единое сопряжение в молекуле отсутствует, так как один из атомов углерода находится в sp3-гибридном состоянии. Поэтому оба гетероцикла неароматичны, а напротив, являются термодинамически нестабильными и чрезвычайно реакционноспособными ненасыщенными соединениями.

В то же время известны и встречаются в природе устойчивые соединения пиранового ряда, обладающие в некоторой степени ароматическими свойст­вами. К ним относятся соли пирилия и оксопроизводные пиранов — пироны.

По структурным признакам пирилий-катион отвечает критериям ароматичности. Неподеленная пара электронов атома кислорода занимает sр2-гибридную орбиталь, лежащую в плоскости кольца. Негибридизованная р-орбиталь располагается параллельно р-орбиталям атомов углерода и образует с ними единое делокализованное облако. Можно сказать, что пирилий-катион изоэлектронен пиридину и бензолу.

Среди оксопроизводных пиранов различают α-пирон (2H-пиранон-2) и γ-пирон (4H-пиранон-4). В обеих молекулах все атомы находятся в sp2-гибридном состоянии и, следовательно, можно гово­рить о сопряжении электронов π-связей цикла с неподеленной парой элект­ронов кислорода кольца и с карбонильной группой. Такой вид делокализации электронного облака системы придает ей частично ароматический характер, поэтому пироны относят иногда к псевдоароматическим соединениям.

Производные бензопирана.

Конденсированная система бензольного и пиранового колец широко представлена в природных соединениях. В настоящее время для таких соеди­нений все чаще используются систематические названия — бензопираны. Это хромены (2Н- и 4Н-изомеры) — ненасыщенные и хроманы —соединения с насыщенным гетероциклом. Оксопроизводное бензопиранов — хромон.

Особую группу бензопиранов составляют флавоноиды. Это производные флавана — 2-фенил-замещенного хромана. Оксопроизводными флавана являются флаванон и его ненасыщенный аналог флавон.

Производные флавона и флаванона составляют основную группу флавоноидов. К их числу относятся кверцетин и лютеолин:

Хромены являются неустойчивыми соединениями, тогда как их многочисленные оксопроизводные и бенз