Реакции электрофильного замещения
В этих реакциях пиридин проявляет свой ароматический характер, но он весьма своеобразен. Пиридин неохотно и с низкими выходами реагирует с электрофильными реагентами. Некоторые реакции этого типа, например, алкилирование и ацилирование с участием пиридина вовсе не идут. По своей реакционной способности пиридин подобен нитробензолу и уступает бензолу в тысячу и более раз.
В реакциях электрофильного замещения наиболее активными положениями в пиридине являются β-положения. Не только потому, что эти положения относительно богаты электронной плотностью, но и потому, что при β-атаке электрофилом образуется более устойчивый π-комплекс.
Предположим, что электрофильное замещение в пиридине может пойти с участием любого положения. В каком случае образуется более устойчивый σ-комплекс?
Среди всех этих предельных структур имеются менее устойчивые. К ним относятся структуры 1 и 8, в которых электронодефицитный азот окружен лишь шестью электронами. Из-за вклада этих канонических структур, σ-комплексы, образующиеся при атаке пиридина в α- и γ-положения по устойчивости уступают σ-комплексу с участием β-положения.
Насколько трудно идут реакции электрофильного замещения в пиридине, показывают результаты нитрования, сульфирования и бромирования
Как и обычно, в реакциях электрофильного замещения, имеющиеся в кольце электронодонорные заместители способствуют реакции. В этом качестве может выступать и кислородный атом при азоте в т.н. N-оксидах пиридина, легко получаемых окислением гетероцикла надкислотами
N-окись вступает в реакции электрофильного замещения несравненно легче, чем сам пиридин. После осуществления реакции N-оксид может быть восстановлен до замещенного пиридина каталитически над никелем Ренея или палладием или же галогенидами фосфора.
В качестве примера рассмотрим нитрование пиридина нитрующей смесью и хлорирование хлористым тионилом через N-оксид
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в реакциях замещения с участием N-оксида изменяется ориентация – предпочтительным становится замещение во 2- и 4-положения.
Реакции нуклеофильного замещения
В отличие от бензола и его производных, пиридин способен вступать в реакции нуклеофильного замещения. Эти реакции идут даже легче, чем реакции электрофильного замещения. При нуклеофильном замещении атаке нуклеофилом подвергается, в основном, α-положение пиридина, поскольку оно беднее электронами.
На начальной стадии нуклеофильной атаки в различные положения пиридина могут образоваться карбанионы (в лимитирующей стадии), отличающиеся по устойчивости.
При атаке нуклеофила (Nu) во второе положение пиридина образующийся карбанион представляет собой резонансный гибрид предельных структур I, II и III. В этом гибриде вклад I больше, потому что в I отрицательный заряд приходится на электроотрицательный атом азота и эта структура более устойчива, чем II и III.
При β-атаке нуклеофила, образующийся карбанион по устойчивости уступает промежуточной частице, возникающей при α-атаке. Потому что среди каноничесих структур IV, V и VI нет структуры, подобной I.
При γ-атаке нуклеофила, как и при α-атаке, резонансный гибрид включает относительно устойчивую структуру VIII, поэтому этот гибрид и сам более устойчив, чем продукт лимитирующей стадии при β-атаке
Образовавшиеся в лимитирующей стадии карбанионы при α- и γ-атаке нуклеофила в быстрой стадии реакции отщепляют гидрид – ион подходящему акцептору и дают продукт замещения.
Таким образом, при нуклеофильном замещении в пиридине действие нуклеофила направлено в α- и γ-положения и реакция идет быстрее, чем электрофильное замещение.
Теперь рассмотрим отдельные реакции нуклеофильного замещения с участием пиридина.
Чичибабин и Зейде (1914 г.) установили, что при нагревании пиридина с амидом натрия или калия происходит образование α-аминопиридина
В том случае, если α-положения в пиридине заняты, то реакция идет с участием γ-положения.
В пиридиновое кольцо можно ввести и гидроксил. Для этого пиридин нагревают (320оС) с сухим едким кали (Чичибабин)
При гидроксилировании пиридина температура реакции значительно выше, чем при аминировании. Это объясняется тем, что нуклеофильность гидроксил-аниона ниже, чем нуклеофильность амид-аниона.
Еще более сильный нуклеофил – фенил-анион, реагирует с пиридином даже при 0оС с образованием 2-фенилпиридина
В этой реакции вначале образуется литиевая соль дигидропиридина, которая при нагревании или окислении дает фенилированный пиридин.