Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 3

25.4.2.Физические свойства и строение

Пиридин представляет собой бесцветную жидкость с т. кип. 115,3 °С. Он обладает характерным неприятным запахом, смешивается во всех отношениях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром; устойчив при хранении.

Пиридин является шестичленным гетероароматическим аналогом бензола. Его плоская молекула имеет сопряженную систему из шести π-элек- тронов. Все атомы цикла находятся в состоянии sp2-гибридизации и вносят по одному π-электрону в ароматический секстет.

N

пиридин

НЭП атома азота находится вне π-сопряженной системы и занимает sp2-орбиталь, ориентированную в плоскости цикла и имеющую σ-сим- метрию.

Ароматическая делокализация π-электронов в молекуле пиридина иллюстрируется следующим набором резонансных структур:

N N N N

В большей части этих структур атом азота имеет отрицательный заряд, что соответствует его большей электроотрицательности. Степень разделения зарядов в молекуле пиридина характеризует сравнительно высокий дипольный момент. В соответствии с этим пиридин рассматривают как электронодефицитный гетероцикл.

μ = 2,26 D

N

Экспериментальные значения энергий граничных орбиталей пиридина сравниваются на диаграмме (рис. 25.3) с соответствующими значениями для бензола и пиррола.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Основность пиридина почти на 6 единиц рKа выше основности пиррола рKа (ВН ), равной –0,4.

Пиридин легко алкилируется с образованием N-алкилпиридиниевых солей. В этой реакции пиридин выступает в качестве нуклеофила:

+ CH3I

Нуклеофильные свойства пиридина подтверждаются и легкостью образования N-ацилпиридиниевых солей. Такие соли образуются в качестве интермедиатов в реакциях О-ацилирования карбоновых кислот хлорангидридами в присутствии пиридина (см. в разд. 20.2).

Значительно более эффективным (по сравнению с пиридином) катализатором реакций ацилирования является 4-диметиламинопиридин (DMAP).

Лишь каталитических количеств DMAP оказывается достаточным для активирования реакции ацилирования.

Задача 25.1. Сравните основность пиррола и пиридина. Предложите объяснение различия в их основности. Какое из этих соединений является амфотерным? Поясните причину этого свойства.

Электрофильное ароматическое замещение

Вследствие пониженной π-электронной плотности в цикле пиридин подвергается реакциям электрофильного замещения лишь в жестких условиях. При этом следует иметь в виду, что пиридиновый цикл еще более дезактивируется к электрофильной атаке из-за протонирования атома азота. Такое протонирование, безусловно, имеет место в присутствии сильных минеральных кислот, применяемых в указанных ниже реакциях.

Преимущественная ориентация электрофильного агента в положение 3 объясняется тем, что при такой ориентации положительный заряд в промежуточном σ-комплексе не локализован на электроотрицательном атоме азота, о чем свидетельствуют наборы резонансных структур, отвечающих атакам молекулы пиридина соответственно в положения 2, 3 и 4.

Атака в положение 2:

E E E

N H N H N H

неустойчивая

структура

Реакции электрофильного замещения идут с пиридин-N-оксидом легче, чем с пиридином, преимущественно в положения 2 и 4.

Обработка продукта реакции действием PCl3 удаляет кислород, переводит пиридин-N-оксиды в соответствующие пиридины:

O4-нитропиридин

4-нитропиридин- N-оксид

Задача 25.2. Почему реакция азосочетания идет с пирролом и не идет с пиридином? Ответ поясните написанием резонансных структур соответствующих σ-комплексов.

Реакция Чичибабина

Как уже отмечено выше, высокое сродство к электрону способствует особой склонности пиридина к реакциям с нуклеофильными реагентами. Классическим примером такой реакции является реакция Чичибабина (1914 г.). В этой реакции пиридин обрабатывают амидом натрия при нагревании в N,N-диметиланилине или толуоле в качестве растворителя.

Механизм реакции Чичибабина приведен ниже.

Стадия 1 — реакция идет с преимущественной атакой нуклеофила по С2 (С6), поскольку отрицательный заряд в соответствующем σ-комплексе делокализован с участием электроотрицательного атома азота цикла:

+ NaNH2

N

2- и 4-Аминопиридины способны к таутомерным превращениям:

Значительно более устойчивой является амино-форма. Ее содержание в 1000 раз превышает содержание имино-формы.

Аналогичная реакция протекает с литийорганическими реагентами:

Однако реакция с КОН протекает лишь в очень жестких условиях. Образующийся 2-гидроксипиридин также способен к таутомерии:

Вместе с тем 2-гидроксипиридин легко получается при обработке 2-амино- пиридина нитритом натрия в присутствии минеральной кислоты:

Следует иметь в виду, что пиридоны в значительной мере сохраняют ароматичность пиридинового ядра.

N O N O

R R

Восстановление

Электронодефицитный характер пиридина проявляет себя и в относительной легкости восстановления пиридинового цикла. Важно, что вос-

становление гладко проходит не только как гидрирование в присутствии Pt-катализатора, но и при действии натрия в абсолютном спирте.

Na

C2H5OH

пиридин пиперидин

Пиперидин. К раствору пиридина (20 г; 0,25 моль) в абсолютном спирте (150 г; 3,26 моль) по кусочкам прибавляют натрий (75 г; 3,26 моль). По окончании растворения натрия реакционную массу разбавляют водой. Продукт отгоняют с водяным паром и выделяют в виде гидрохлорида, добавляя соляную кислоту к дистилляту, т. пл. 237 °С (из спирта). Выход 21,2 г (~100%).

25.5.ПИРИМИДИНЫ И ПУРИНЫ

Среди других шестичленных гетероциклических соединений производные пиримидина и пурина представляют особый интерес. Значение этих гетероаренов определяется тем, что фрагменты производных пиримидина и пурина входят в состав сложных биоорганических структур, называемых нуклеиновыми кислотами (см. разд. 28.2), ответственных за хранение и передачу генетической информации.

Нумерация атомов в молекулах пиримидина и пурина показана ниже.

В состав нуклеиновых кислот входят следующие производные пиримидина: урацил, цитозин и тимин. Их называют пиримидиновыми основаниями.