Учебник Органическая химия Щеголев 2016

12.4.1. НОМЕНКЛАТУРА ПИРИДИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ

Систематическое название пиридина — азин (гл. 12.1). Однако как для самого гетероцикла, так и для его производных почти всегда используется тривиальное название «пиридин».

Атомы цикла могут быть обозначены цифровыми локантами или же греческими буквами. Соответственно, возможны три радикала пиридина:

Метилпроизводные пиридина имеют тривиальное название «пиколины», диметилпроизводные — «лутидины», например:

-, - и -пиридинкарбоновые кислоты имеют каждая своѐ тривиальное название:

651

12.4.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА

Химические свойства пиридина, как следует из его строения, должны быть достаточно многообразны. Это и реакции непосредственно по атому азота (основные свойства, реакции алкилирования, окисления), и реакции с участием ароматического кольца (электрофильное и нуклеофильное замещение, гидрирование).

12.4.3.1. Основность

Пиридин является типичным основанием с рКb = 8.8. Его основность ниже основности аммиака и алифатических аминов, так как неподелѐнная электронная пара пиридинового азота, за счѐт которой происходит взаимодействие с протоном, находится на sp2-гибридной орбитали. Электронная же пара аминного атома азота находится на sp3-гибридной орбитали, поэтому более удалена от ядра и легче взаимодействует с протоном (рКb аммиака равна 4.8, метиламина — 2.3).

С другой стороны, основность пиридина выше основности анилина и ароматических аминов (рКb анилина = 9.4). В молекуле анилина, как и других ароматических аминов, неподелѐнная электронная пара азота участвует в сопряжении с ароматическим кольцом и делокализована, а в молекуле пиридина пара электронов принадлежит только атому азота.

Основные свойства пиридина проявляются как при взаимодействии с кислотами, так и при взаимодействии с водой:

12.4.3.2. Реакции алкилирования по атому азота

Неподелѐнная электронная пара азота энергетически более доступна для атаки электрофильными агентами, чем сопряжѐнная система ароматического кольца. Однако только с алкилирующими агентами атом азота образу-

653

ет устойчивые продукты взаимодействия. Реакции между пиридином и галогеналканами протекают легко:

По механизму эти реакции — типичные примеры нуклеофильного замещения, в которых пиридин является нуклеофилом.

Но при нагревании до 200 300 С продукт алкилирования по азоту претерпевает перегруппировку Ладенбурга, протекающую по радикальному механизму, с выбросом галогеноводорода. Результатом этого является образование - и -алкилпиридинов:

В смеси преобладает, как правило, -изомер. Катализаторами могут быть Cu2Cl2, AlCl3. Для радикалов нормального строения (например, н-пропил) происходит их изомеризация.

12.4.3.3. Реакции электрофильного замещения

В молекуле пиридина имеются два реакционных центра для электрофильной атаки, и, как было сказано выше, легче она должна осуществляться по атому азота. Действительно, большинство электрофилов на первой стадии атакует атом азота, а затем происходит перегруппировка с образованием более прочных связей электрофильных частиц с атомами углерода кольца. При этом электрофильное замещение всегда протекает по-углеродному атому в отсутствие других ориентирующих групп, так как - и -атомы дезактивированы электроноакцепторным влиянием атома азота (см. выше). В целом электрофильное замещение в цикле пиридина протекает в жѐстких условиях (при температурах около 230 300 С). Одним из примеров является реакция хлорирования, которая без катализатора протекает при 200 С, а в присутствии хлорида алюминия — при 100 С. Образование связи C–Cl здесь происходит при действии избытка хлорирующего агента:

654

Cl

-хлорпиридин

Проведение хлорирования при более высокой температуре (230 С) приводит к смене механизма, в результате чего вместо SE-реакции протекает радикальное замещение (SR) и образуются продукты -замещения:

Для проведения электрофильного бромирования требуется использование раствора брома в олеуме при 170 С:

Br

Br2 / H2SO4+SO3/ 400 K

- HBr

N N

-бромпиридин

Проведение бромирования без растворителя при более высокой температуре (500 С) также приводит к смене механизма реакции, в результате протекает радикальное замещение:

-бромпиридин

Реакции нитрования и сульфирования протекают в сильнокислой среде, поэтому первой стадией этих процессов является протонирование с образованием катиона пиридиния, что в свою очередь ещѐ в большей степени замедляет электрофильное замещение.

При нитровании повышение температуры выше 300 С ( 370 С) приводит к смене механизма с SE на SR. При этом вместо -нитропиридина образуется преимущественно -производное:

655

N NO2

Сульфирование пиридина при 360 С даѐт -пиридинсульфокислоту, существующую преимущественно в виде внутренней соли:

Некоторые другие типичные реакции электрофильного замещения, например, реакции алкилирования и ацилирования по Фриделю–Крафтсу, вовсе не характерны для пиридина, но такие реакции невозможны и для производных бензола с сильными электроноакцепторными группами (например, для нитробензола).

12.4.3.4. Реакции нуклеофильного замещения

Наличие атома азота в ароматическом кольце пиридина существенно понижает -электронную плотность, и становится возможной нуклеофильная атака по атому углерода в -положении (и в меньшей степени в-положении). Тем не менее, пиридин и его гомологи реагируют только с сильными нуклеофильными агентами.

Щѐлочи реагируют с пиридином только при температуре около 400 С с образованием -гидроксипиридина, который таутомеризуется в -пиридон. Механизм реакции — SN2аром.:

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.

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:

Это проявляется при образовании ими металлорганических соединений, например, при взаимодействии с бутиллитием, которые затем могут быть использованы в качестве реагентов в нуклеофильных реакциях:

658

O

H C H

N CH2CH2OLi

или же сами - и -метилпиридины могут вступать в реакции нуклеофильного присоединения с альдегидами в присутствии оснóвного (реже кислотного) катализатора:

Кислотные свойства -пиколина близки к таковым для толуола, и в целом химические свойства -изомера с участием метильной группы аналогичны свойствам толуола.

Из гидроксипиридинов - и -изомеры в обычных условиях существуют в виде - и -пиридонов, образующихся в результате таутомерных превращений:

OH O

а -изомер существует в равновесии с биполярной формой (в водном растворе обе формы находятся примерно в равных количествах):

659

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, диазомета-

ном 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.

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.

660