А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 12 Гетероциклические соединения

Алкилирование и арилирование проводятся литийорганическими соединениями R-Li или Ar-Li при температуре 100 С. Эти реакции также селективно приводят к образованию -замещѐнных пиридинов. Например, взаимодействие с бутиллитием осуществляется по следующей схеме:

+ LiH

N (CH2)3CH3

-бутилпиридин

Для отщепления гидрид-иона на стадии превращения -комплекса в продукты реакции может быть использовано окисление кислородом воздуха; тогда вместо гидрида лития образуется LiOH.

Аминирование пиридина и родственных гетероциклических соединений (реакция А.Е. Чичибабина*) осуществляется амидом натрия в апротонных растворителях при 100 С (или в жидком аммиаке при -33 С). Замещение осуществляется селективно в -положение.

Но если оба -положения заняты, то замещается водород в -положении. При нагревании с избытком амида натрия можно получить пиридин-2,6- диамин.

640

NaNH2

12.4.3.5. Реакции окисления и восстановления

Пиридиновый цикл устойчив к окислителям. Окисление может протекать по атому азота, например, действием пероксида водорода или пероксикислот (H2SO5):

[O]

+

N N O-

пиридин-N-оксид

Восстановление пиридина водородом на никелевом катализаторе приводит к полному гидрированию цикла. Реакция гидрирования пиридина протекает трудно, в условиях, аналогичных гидрированию бензола

(гл. 9.5.1.2).

[H]

N N H

пиперидин

12.4.4.ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ПИКОЛИНОВ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРИДИНА

Пиколины с метильной группой в - и -положениях обладают повышенной СН-кислотностью за счѐт акцепторного влияния атома азота:

641

H

-гидроксипиридин

Все гидроксипиридины являются слабыми основаниями и слабыми кислотами. В наибольшей степени кислотные свойства проявляются у-изомера (рКа = 8.7), для него характерны типичные свойства фенолов (нитруется и бромируется легко, реагирует с формальдегидом, с солями диазония — SE-реакции идут преимущественно в положение 2).

Кислотные свойства - и -изомеров выражены значительно слабее (рКа 11), для них становятся возможны реакции спиртов, не характерные для фенолов, в частности, замещение гидроксогруппы в 2-гидрокси- пиридине (или, что то же самое, атома кислорода в 2-пиридоне):

Алкилирование гидроксипиридинов может протекать по атому азота (например, CH3I, (CH3)2SO4) или по атому кислорода (например, диазометаном CH2N2).

Все изомерные аминопиридины проявляют оснóвные свойства в большей степени, чем незамещѐнный пиридин, и образуют при протонировании по кольцевому атому азота кристаллические соли. Производные пиридина с аминогруппами в - и -положениях одноосновны, так как положительный заряд делокализуется между двумя атомами азота, что препятствует повторному протонированию.

643

У -изомера основность выражена слабее, что объясняется отсутствием донорного мезомерного влияния аминогруппы в -положении на кольцевой атом азота (рКb = 7.4), но в сильнокислых средах пиридин-3- амин способен дважды протонироваться с образованием дикатиона.

Алкилирование аминопиридинов протекает по кольцевому атому азота, а ацилирование — по азоту аминогруппы. Все аминопиридины легко вступают в SE-реакции по кольцу, причѐм место вступления электрофила определяется ориентацией аминогруппы.

-Аминопиридин при взаимодействии с азотистой кислотой превращается в соответствующую соль диазония. В случае - и -амино- пиридинов соли диазония легко гидролизуются в пиридоны. Причиной тому можно считать высокие эффективные положительные заряды на - и-атомах пиридинового кольца, создаваемые акцепторным влиянием азота, что в свою очередь приводит к дестабилизации катиона диазония. Здесь, как и в гидроксильных производных пиридина, -изомер в большей степени проявляет свойства функциональных производных ароматического ряда, чем - и -производные.

Свойства галогенопроизводных пиридина также в значительной степени зависят от положения атома галогена в пиридиновом кольце. В - и-положениях нуклеофильное замещение протекает значительно легче (возможна прямая нуклеофильная атака по этим атомам углерода — механизм SN2), а галоген в -положении, как и в неактивированном бензольном кольце, может замещаться только в очень жѐстких условиях, по ариновому механизму. Например, для 2,3-дихлорпиридина нагревание с метиламином даѐт исключительно продукт замещения по -атому:

644

Пиридинкарбоновые кислоты (пиколиновая, никотиновая и изоникотиновая) во многом представляют собой типичные ароматические карбоновые кислоты. Однако из-за наличия в их молекулах атома азота в качестве основного центра они могут существовать и в виде внутренней соли (как типичные аминокислоты).

Различия в свойствах карбоксильных групп, находящихся в различных положениях пиридинового цикла, проявляются по отношению к нагреванию, и это можно проиллюстрировать следующим примером:

12.4.5. ХИНОЛИН И ИЗОХИНОЛИН

Хинолин и изохинолин — это конденсированные системы, состоящие из пиридинового цикла и бензольного кольца. Поэтому их названия как конденсированных систем:

Хинолин и изохинолин являются азотоаналогами нафталина, и нумерация атомов в их молекулах проводится так же, как и в молекуле нафталина: в хинолине, начиная с гетероатома, а в изохинолине атом азота имеет номер 2.

645

Хинолин, изохинолин и их производные — это бесцветные жидкости и низкоплавкие вещества, малорастворимые в воде и имеющие своеобразный запах.

12.4.5.1. Строение

Хинолин и изохинолин, так же, как и их углеродный аналог нафталин, представляют бициклические сопряжѐнные системы из 10 -элек- тронов. Присутствие атома азота значительно изменяет распределение электронной плотности. Электроноакцепторное влияние атома азота главным образом распространяется на цикл пиридина. Поэтому электронная плотность на бензольном кольце понижена в незначительной степени, а наибольший положительный заряд возникает в положении 2 молекулы хинолина и в положении 1 изохинолина:

12.4.5.2. Химические свойства

Как и пиридин, хинолин и изохинолин являются типичными основаниями с константами основности, близкими к таковым для пиридина. Образование солей протекает аналогично пиридину. Например, для хинолина:

H

хлорид хинолиния

Реакции алкилирования и окисления по атому азота протекают в тех же условиях и при участии тех же реагентов, что и для пиридина. Например, для хинолина:

646

Сульфирование при обычных температурах (90 230 С) также приводит к образованию хинолин-5-сульфокислоты и хинолин-8-сульфокислоты (главным образом, 8-производного), но эти изомеры при нагревании выше 260 С переходят в более термодинамически стабильную 6-сульфоновую кислоту.

Галогенирование хинолина и изохинолина в условиях реакции электрофильного замещения (в присутствии кислотных катализаторов) также приводит к 5- и 8-производным. Введение атома галогена в пиридиновое кольцо происходит в значительно более мягких условиях. Так, бромирование хинолина и изохинолина в присутствии незначительных количеств HCl даѐт 3-бромхинолин и 4-бромизохинолин соответственно. Механизм процесса на примере изохинолина можно представить в следующем виде:

4-бромизохинолин

Нуклеофильное замещение атома водорода идѐт наиболее легко в положение С2 хинолина и С1 изохинолина. Так, например, протекают реакция А.Е. Чичибабина и взаимодействие со щѐлочью для хинолина:

NaNH2 / NH3

N NH2

N

KOH,513 K

Для хинолина и изохинолина возможно гидрирование как пиридинового цикла, так и бензольного кольца. Восстановить пиридиновый цикл до тетрагидропиридинового можно боргидридами металлов или каталити-

648

чески водородом в метаноле. Однако каталитическое гидрирование в растворе сильных кислот приводит к первоначальному селективному восстановлению бензольного кольца, а затем — к продукту исчерпывающего гидрирования — декагидропроизводному. Например, для хинолина:

H2 / Pt, HCl

N N

H

12.4.6. -ПИРАН И -ПИРАН И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ

Пираны — это ненасыщенные гетероциклические кислородосодержащие соединения. Возможно существование двух таких изомеров —-пирана и -пирана (или, соответственно 2Н-пиран и 4Н-пиран):

Циклы пиранов содержат один насыщенный атом углерода ( -атом в-пиране и, соответственно, -атом в -пиране), поэтому в их молекулах отсутствует полное циклическое сопряжение и эти соединения не могут относиться к ароматическим.

Пираны широкого распространения и практического использования не имеют. Однако более распространены соли катиона пирилия и оксопроизводные пиранов — пироны:

O

649