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Tutto quello che devi sapere sui piridini

Tutto quello che devi sapere sui piridini

Tutto ciò che devi sapere piridine

La piridina è la base eterociclico composto del tipo azina. La piridina è derivata dal benzene attraverso la sostituzione del gruppo CH con l'atomo di azoto. La struttura piridina è analoga alla struttura del benzene, perché è correlata dalla sostituzione del gruppo CH con N. Le principali differenze includono:

  1. Partenza da una perfetta geometria esagonale regolare dovuta alla presenza di un etero atomo, per essere precisi, i legami più brevi di carbonio-azoto,
  2. Sostituzione di un atomo di idrogeno nel piano dell'anello con la coppia di elettroni non condivisa, come nel piano dell'anello, situata nell'orbitale ibrido sp2, e non coinvolto in un sestetto aromatico di p-elettroni. Questa coppia solitaria di azoto è la responsabile delle proprietà di base delle piridine,
  3. Il forte dipolo permanente riconducibile a una maggiore elettronegatività dell'atomo di azoto rispetto a un atomo di carbonio.

L'anello piridinico si verifica in diversi composti cruciali, tra cui vitamine niacina, piridossina e azina.

Un chimico scozzese, Thomas Anderson ha inventato la piridina in 1849 come uno dei composti che costituiscono l'olio osseo. Dopo due anni, Anderson ha derivato la pura piridina mediante distillazione frazionata di olio osseo. È un liquido altamente infiammabile, incolore, solubile in acqua, debolmente alcalino con un odore sgradevole, tipico di pesce.

La piridina è sempre utilizzata come precursore di prodotti farmaceutici e agrochimici ed è anche un reagente e solvente cruciale. La piridina può essere aggiunta all'etanolo se si desidera renderlo inadatto al consumo umano. È anche applicabile nella produzione di farmaci antistaminici mepyramine e tripelennamina, in vitro sintesi del DNA, nella produzione di sulfapyridine (medicina per il trattamento di infezioni virali e infezioni batteriche), così come battericidi, erbicidi e idrorepellenti.

La maggior parte dei composti chimici, anche se non prodotti dalla piridina, contengono una struttura ad anello. Tali composti includono vitamine del gruppo B come piridossina e niacina, nicotina, prodotti vegetali contenenti azoto e il farmaco anti-tubercolosi noto come isoniazide. La piridina è stata storicamente prodotta come sottoprodotto della gassificazione del carbone e del catrame di carbone. Tuttavia, l'aumento vertiginoso della domanda di piridina ha portato allo sviluppo di metodi di produzione economici dall'ammoniaca e dall'acetaldeide e su tutto il mondo vengono prodotte tonnellate di 20,000 all'anno.

Nomenclatura di piridina

Il nome sistematico di piridina, secondo la nomenclatura Hantzsch-Widman suggerita dalla IUPAC, è azine. Ma i nomi sistematici dei composti basici sono usati raramente; invece, la nomenclatura degli eterocicli segue nomi comuni stabiliti. L'IUPAC non incoraggia l'uso di azine quando ci si riferisce a piridina.

La numerazione degli atomi dell'anello in azoto inizia dall'azoto. Un'assegnazione delle posizioni mediante la lettera dell'alfabeto greco (α-γ) e il modello di sostituzione della nomenclatura tipica dei sistemi omoaromatici (para ortho, scopo,) sono usati a volte. Qui α, β e γ si riferiscono rispettivamente alle due, tre e quattro posizioni.

Il nome sistematico per i derivati ​​della piridina è piridini, dove un numero precede la posizione dell'atomo sostituito è preceduto da un numero. Ma il nome storico piridile è raccomandato dalla IUPAC e ampiamente usato al posto del nome sistematico. Il derivato formato attraverso l'aggiunta di un elettrofilo all'atomo di azoto è noto come piridinio.

4-bromopyridine

2,2'-bipiridina

Acido dipicolinico (acido piridina-2,6-dicarbossilico)

La forma base del catione piridinio

Produzione di piridina

La piridina è stata ottenuta come sottoprodotto della gassificazione del carbone o estratta dal catrame di carbone. Questo metodo era inefficiente e richiedeva manodopera: il catrame di carbone aveva circa la piridina 0.1 per cento, e quindi era necessaria una purificazione in più fasi, che riduceva ulteriormente la produzione. Oggi la maggior parte della piridina viene prodotta sinteticamente usando diverse reazioni di nome, e le più comuni sono discusse qui di seguito.

Sintesi di piridina attraverso Bohlmann-Rahtz

La sintesi di piridina attraverso Bohlmann-Rahtz consente la generazione di piridine sostituite in due fasi principali. La condensazione di enammine usando etinilchetoni provoca un intermedio di amminodiene che, dopo isomerizzazione indotta dal calore, subisce ciclodeidratazione per produrre piridine trisostituite 2,3,6.

Sintesi di piridina attraverso un meccanismo di Bohlmann-Rahtz

Il meccanismo è correlato alla sintesi diidropiridina Hantzsch popolare doveon-sitele specie enamine ed enone rigenerate producono diidropiridine. Sebbene Bohlmann-Rahtz Synthesis sia altamente versatile, la purificazione delle temperature intermedie e incredibilmente alte necessarie per la ciclodeidratazione sono sfide che ne hanno limitato l'utilità. La maggior parte delle sfide sono state superate, rendendo la sintesi di Bohlmann-Rahtz più essenziale nel piridine generazione.

Anche se non è stata effettuata alcuna ricerca meccanicistica, gli intermedi possono essere caratterizzati da H-NMR. Ciò dimostra che il prodotto principale della prima aggiunta di Michael e il seguente trasferimento di protoni possono essere un 2Z-4E-heptadien-6-one che viene estratto e purificato mediante cromatografia su colonna.

Sono quindi necessarie temperature di ciclodeidratazione incredibilmente elevate per facilitare Z/E isomerizzazioni che sono un prerequisito per eteroannelazione.

Recentemente sono stati sviluppati diversi metodi che consentono la sintesi di piridine tetra e trisostituite in un processo a singolo stadio. Invece di utilizzare il butinone come substrato, Bagley ha testato vari solventi per la conversione di 4- (trimetilsilil) meno volatile ed economico, ma 3-yn-2-one. È stato dimostrato che solo DMSO ed EtOH sono solventi ideali. EtOH è chiaramente favorito come solvente polare e protico rispetto a DMSO come solvente polare aprotico. Nei due solventi, la protodesililazione è avvenuta spontaneamente. Bagley ha anche dimostrato che la catalisi acida consente alla ciclodeidratazione di continuare a temperature inferiori.

La catalisi acida aumenta anche l'aggiunta di coniugato. Una vasta gamma di enamine è stata fatta reagire con etinilchetoni nella miscela (5: 1) di acido acetico e toluene per fornire piridine funzionalizzate in un unico passaggio con rese eccellenti.

Dopo il successo della catalisi dell'acido di Brønstedt, il chimico ha studiato la capacità dei catalizzatori di acido di Lewis. Condizioni ottimali Utilizzato o venti mol% ytterbio triflato o quindici% mol di bromuro di zinco nel toluene di riflusso. Anche se la ricerca meccanicistica non è stata fatta, possiamo supporre che la coordinazione da parte del catalizzatore acceleri le fasi di ciclodeidrazione, aggiunta di Michael e isomerizzazione.

Lo svantaggio è la compatibilità limitata con i substrati sensibili all'acido. Ad esempio, la decomposizione catalizzata da acidi degli enamini avviene con ciano e terz-butilestere come gruppi di prelievo di elettroni. Un'altra alternativa mite è l'applicazione del reagente di scambio ionico Amberlyst-15 che tollera terz-butylesters.

Poiché gli enamini non sono facilmente disponibili e per migliorare la facilità del processo, è stata intrapresa una reazione del componente 3 usando l'acetato di ammonio come fonte del gruppo amminico. In questa procedura efficace, viene generato enamine on-site che reagisce con l'alkynone presente.

Nel primo processo, ZnBr2 e AcOH sono stati applicati come catalizzatori extra con toluene come solvente. Tuttavia, è stato dimostrato che i substrati sensibili all'acido reagiscono sempre in un ambiente mite con EtOH come solvente.

Sintesi di Chichibabin

La sintesi della piridina di Chichibabin è stata riportata per la prima volta in 1924 ed è ancora una delle applicazioni principali nell'industria chimica. È una reazione di formazione dell'anello, che comporta la reazione di condensazione di aldeidi, chetoni, composti carbonilici α, β-insaturi. Inoltre, la forma complessiva della reazione può comprendere qualsiasi combinazione dei suddetti prodotti in ammoniaca pura o suoi derivati.

Formazione di Piridina

Condensa di formaldeide e acetaldeide

La formaldeide e l'acetaldeide sono principalmente le fonti di piridina non sostituita. Almeno, sono accessibili e abbastanza accessibili.

  1. Il primo passo prevede la formazione di acroleina da formaldeide e acetaldeide attraverso la condensazione di Knoevenagel.
  2. Il prodotto finale viene quindi condensato da acroleina con acetaldeide e ammoniaca, formando diidropiridina.
  3. Il processo finale è una reazione di ossidazione con un catalizzatore allo stato solido per produrre piridina.
  4. La suddetta reazione viene eseguita in una fase gassosa con un intervallo di temperatura di 400-450 ° C. Il composto formato è costituito da piridina, picolina o piridine metilate semplici e lutidina. Tuttavia, la composizione è soggetta al catalizzatore in uso e, in una certa misura, varia in base alle richieste del produttore. Tipicamente, il catalizzatore è un sale di metallo di transizione. I più comuni sono il fluoruro di manganese (II) o il fluoruro di cadmio (II), sebbene i composti di tallio e cobalto possano essere alternativi.
  5. La piridina viene recuperata dai sottoprodotti in un processo a più fasi. La principale limitazione della sintesi della piridina di Chichibabina è la sua bassa resa, che si traduce in circa il 20% dei prodotti finali. Per questo motivo, le forme non modificate di questo composto sono meno prevalenti.

Ciclizzazione di Bönnemann

La ciclizzazione di Bönnemann è la formazione di un trimero dalla combinazione di due parti di molecola di acetilene e una parte di un nitrile. In realtà, il processo è una modifica della sintesi di Reppe.

Il meccanismo è facilitato dal calore proveniente da temperature e pressioni elevate o dalla cicloaddizione fotoindotta. Se attivato dalla luce, la ciclizzazione di Bönnemann richiede CoCp2 (ciclopentadienile, 1,5-cicloottadiene) per agire da catalizzatore.

Questo metodo può produrre una catena di derivati ​​piridinici a seconda dei composti utilizzati. Ad esempio, acetonitrile produrrà 2-metilpiridina, che può essere sottoposta a dealchilazione per formare piridina.

Altri metodi

La sintesi della piridina Kröhnke

Questo metodo utilizza piridina come reagente, sebbene non sia incluso nel prodotto finale. Al contrario, la reazione genererà piridine sostituite.

Quando reagito con α-bromoesteri, la piridina subirà una reazione simile a quella di Michael con i carbonili insaturi per formare la piridina e il bromuro di piridosio sostituiti. La reazione viene trattata con ammoniaca acetato in condizioni blande 20-100 ° C.

Il riarrangiamento di Ciamician-Dennstedt

Ciò comporta l'espansione dell'anello del pirrolo con diclorocarbene che forma 3-cloropiridina.

Sintesi di Gattermann-Skita

In questa reazione, il sale estere malonato reagisce con diclorometilammina in presenza di una base.

Sintesi piridina di Boger

Reazioni di piridine

Le seguenti reazioni possono essere previste per le piridine dalla loro struttura elettronica:

  1. L'eteroatomo rende le piridine molto non reattive alle normali reazioni di sostituzione aromatica elettrofila. Al contrario, le piridine sono suscettibili all'attacco nucleofilo. Le piridine subiscono reazioni di sostituzione elettrofila (SEA) più riluttanti ma la sostituzione nucleofila (SNAr) più facilmente del benzene.
  2. I reagenti elettrofili attaccano preferibilmente sul Natom e sugli atomi di carbonio, mentre i reagenti nucleofili preferiscono gli atomi a e cC.

Addizione elettrofila all'azoto

Nelle reazioni che implicano la formazione di legami usando la coppia solitaria di elettroni sull'azoto dell'anello, come la protonazione e la quaternizzazione, le piridine si comportano esattamente come ammine terziarie alifatiche o aromatiche.

Quando una piridina reagisce come base o nucleofilo, forma un catione piridinio in cui viene trattenuto il sestetto aromatico e l'azoto acquisisce una carica positiva formale.

Protonazione all'azoto

Le piridine formano sali cristallini, spesso igroscopici, con la maggior parte degli acidi protici.

Nitrazione all'azoto

Ciò avviene facilmente per reazione di piridine con sali di nitronio, come il tetrafluoroborato di nitronio. I nitrati protettivi come l'acido nitrico, ovviamente, portano esclusivamente alla protonazione N.

Acilazione ad azoto

Cloruri acidi e acidi arilsolfonici reagiscono rapidamente con piridine generando sali 1-acil- e 1-arilsolfonilpiridinio in soluzione.

Alogenuri alchilici e solfati reagiscono prontamente con piridine che forniscono sali di piridinio quaternario.

Sostituzioni nucleofile

A differenza del benzene, numerose varietà nucleofile possono essere efficacemente ed efficacemente sostenute dalla piridina. È perché l'anello ha una densità elettronica leggermente inferiore degli atomi di carbonio. Queste reazioni includono sostituzioni con la rimozione di uno ione idruro e le aggiunte di eliminazione per ottenere una configurazione di aryne intermedia e di solito continuano alla posizione 2 o 4.

La sola piridina non può causare la formazione di diverse sostituzioni nucleofile. Tuttavia, la modificazione della piridina con bromo, frammenti di acido solfonico, cloro e fluoro può causare un gruppo in partenza. La formazione di composti di organolitio può essere recuperata dal miglior gruppo di fluoro in uscita. Ad alta pressione, nucleofilo può reagire con alcossidi, tiolati, ammine e composti di ammoniaca.

Pochi eterociclico le reazioni possono verificarsi a causa dell'uso di un gruppo povero di partenza come lo ione idruro. I derivati ​​della piridina nella posizione 2 possono essere ottenuti attraverso la reazione di Chichibabin. 2-aminopiridina può continuare a essere raggiunta quando si usa sodio ammide come nucleofilo. La molecola di idrogeno si forma quando i protoni del gruppo amminico si combinano con lo ione idruro.

Simile al benzene, piridine intermedi come eteroarne possono essere ottenuti attraverso sostituzioni nucleofile alla piridina. L'uso di forti alcali come il sodio e il potassio terz-butossido può aiutare a sbarazzarsi dei derivati ​​della piridina quando si utilizza il giusto lasciare il gruppo. Dopo l'introduzione del nucleofilo nel triplo legame, abbassa la selettività e porta alla formazione di una miscela che ha due possibili addotti.

Sostituzioni elettrofile

Diverse sostituzioni elettrofile di piridina possono continuare fino ad un certo punto o non continuare del tutto. D'altra parte, l'elemento eteroaromatico può essere stimolato attraverso la funzionalizzazione della donazione di elettroni. L'alchilazione di Friedel-Crafts (acilazione) è un esempio di alchilazioni e acilazioni. L'aspetto non subisce la piridina poiché risulta nell'aggiunta di atomo di azoto. Le sostituzioni avvengono principalmente nella posizione a tre che è uno degli atomi di carbonio ricchi di elettroni situati nell'anello rendendolo incline all'aggiunta elettrofila.

Struttura dell'N-ossido di piridina

Sostituzioni elettrofile possono comportare il cambiamento di posizione della piridina in posizione 2 o 4 a causa della reazione vigorosa avversa σ complessa. Tuttavia, i metodi sperimentali possono essere utilizzati durante l'esecuzione della sostituzione elettrofila su N-ossido di piridina. Successivamente è seguito dalla deossigenazione dell'atomo di azoto. Pertanto, è noto che l'introduzione di ossigeno riduce la densità sull'azoto e migliora la sostituzione in posizione 2 e nei carboni con posizione 4.

Composti di zolfo bivalente o fosforo trivalente sono noti per essere facilmente ossidati quindi principalmente utilizzati per rimuovere l'atomo di ossigeno. L'ossido di trifenilfosfina è un composto che si forma dopo l'ossidazione del reagente trifenilfosfina. È un altro reagente che può essere utilizzato per sbarazzarsi di un atomo di ossigeno da un altro elemento. Le informazioni seguenti descrivono come la normale sostituzione elettrofila reagisce con piridina.

La nitrazione diretta della piridina richiede certe condizioni difficili e generalmente ha pochi rendimenti. La reazione del pentossido di diazoto con piridina in presenza di sodio può determinare la formazione di 3-nitropiridina. I derivati ​​della piridina possono essere ottenuti attraverso la nitrazione del nitronio tetrafluoroborato (NO2BF4) prelevando atomo di azoto stericamente ed elettronicamente. La sintesi di due composti di 6-dibromo piridina può causare la formazione di 3-nitropiridina dopo la rimozione degli atomi di bromo.

La nitrazione diretta è considerata più confortevole della solfonazione diretta della piridina. L'ebollizione di piridina a 320 ° C può risultare in acido piridinico-3-solfonico più veloce dell'acido solforico bollente alle stesse temperature. L'aggiunta dell'elemento di zolfo all'atomo di azoto può essere ottenuta facendo reagire il gruppo SO3 in presenza di solfato di mercurio (II) che funge da catalizzatore.

La clorurazione e la bromurazione dirette possono continuare bene a differenza della nitrazione e della solfonazione. 3-bromopiridina può essere ottenuta attraverso la reazione di bromo molecolare in acido solforico a 130 ° C con piridina. Dopo la clorazione, il risultato di 3-cloropiridina può essere basso in presenza di cloruro di alluminio che agisce da catalizzatore a 100 ° C. La reazione diretta di alogeno e palladio (II) può provocare sia 2-bromopiridina che 2-cloropiridina.

Applicazioni della piridina

Una delle materie prime che sono piuttosto cruciali per le fabbriche chimiche è la piridina. In 1989, la produzione totale di piridina nel mondo era di tonnellate 26K. A partire da 1999, 11 dei più grandi siti di produzione piridina 25 erano situati in Europa. I principali produttori di piridina comprendevano Koei Chemical, Imperial Chemical Industries e Evonik Industries.

Nei primi 2000, la produzione di piridina aumentava di un alto margine. Ad esempio, solo la Cina continentale ha raggiunto una capacità produttiva annuale di tonnellate 30,000. Oggi, la joint venture tra Stati Uniti e Cina si traduce nella più alta produzione piridina del mondo.

Pesticidi

La piridina è utilizzata principalmente come precursore di due diserbanti diquat e paraquat. Nella preparazione di fungicidi a base di piritione, la piridina è usata come composto di base.

La reazione tra Zincke e piridina si traduce nella produzione di due composti: laurilpiridinio e cetilpiridinio. Grazie alle loro proprietà antisettiche, i due composti vengono aggiunti ai prodotti per la cura dentale e orale.

Un attacco da parte di un agente alchilante a piridina risulta nei sali di N-alchilpiridinio, il cetilpiridinio cloruro è un esempio.

Sintesi del paraquat

Solvente

Un'altra applicazione in cui viene utilizzata la piridina è nelle condense di Knoevenagel, per cui viene utilizzato come solvente a bassa reattività, polare e basico. La piridina è particolarmente ideale per la dealogenazione, dove serve come base della reazione di eliminazione mentre si lega l'alogenuro di idrogeno risultante per formare il sale di piridinio.

Nelle acilazioni e esterificazioni, la piridina attiva le anidridi o gli alogenuri dell'acido carbossilico. Ancora più attive in queste reazioni sono 4- (1-pirrolidinil) piridina e 4-dimethylaminopyridine (DMAP), che sono derivati ​​piridinici. Nelle reazioni di condensazione, la piridina viene tipicamente applicata come base.

Formazione di piridinio mediante reazione di eliminazione con piridina

La piridina è anche un'importante materia prima nell'industria tessile. Oltre ad essere applicato come solvente nella produzione di gomma e coloranti, è anche usato per migliorare la capacità della rete del cotone.

La Food and Drug Administration statunitense approva l'aggiunta di piridina in piccole quantità agli alimenti per fornire loro un sapore amaro.

Nelle soluzioni, la soglia di rilevamento della piridina è intorno a 1-3 mmol·L-1 (79-237 mg · L-1). Essendo una base, la piridina può essere utilizzata come un reagente Karl Fischer. Tuttavia, l'imidazolo viene solitamente usato come sostituto della piridina in quanto (imidazolo) ha un odore gradevole.

Precursore di Piperidina

L'idrogenazione con piridina con catalizzatore a base di rutenio, cobalto o nichel a temperature elevate determina la produzione di piperidina. Questo è un eterociclo di azoto essenziale che è un elemento fondamentale sintetico.

Reagenti speciali a base di piridina

In 1975, William Suggs e James Corey hanno sviluppato il clorocromato di piridinio. È applicato per ossidare gli alcoli secondari a chetoni e alcoli primari alle aldeidi. Il clorocromato di piridinio viene normalmente ottenuto quando la piridina viene aggiunta alla soluzione di acido cloridrico e cromico concentrato.

C5H5N + HCl + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3Cl]

Con il cromilcloruro (CrO2Cl2) essendo cancerogeno, si cercava una via alternativa. Uno di questi è usare il cloruro di piridinio per trattare l'ossido di cromo (VI).

[C5H5NH+] Cl- + CrO3 → [C5H5NH] [CrO3Cl]

Il reagente Sarret (il complesso di ossido di cromo (VI) con eterociclo piridinico in piridina), il piridinio clorocromato (PCC), il reagente di Cornforth (piridinio dicromato, PDC) e il reagente Collins (il complesso di ossido di cromo (VI) con piridina eterociclo in diclorometano) sono composti comparabili di cromo-piridina. Vengono anche applicati per l'ossidazione, come la conversione di alcoli secondari e primari in chetoni.

I reagenti Sarret e Collins non sono solo difficili da preparare, ma sono anche pericolosi. Sono igroscopici e sono suscettibili all'accensione durante il processo di preparazione. Di conseguenza, è stato raccomandato l'uso di PDC e PCC. Mentre i due reagenti sono stati ampiamente utilizzati negli 70 e 80, sono raramente utilizzati al momento a causa della loro tossicità e della cancerogenicità confermata.

La struttura del catalizzatore di Crabtree

Nella chimica di coordinazione, la piridina è ampiamente usata come ligando. E 'derivato, come è il suo derivato 2,2'-bipiridina, comprendente molecole di piridina 2 attaccate da un singolo legame, e terpiridina, una molecola di anelli piridinici 3 collegati insieme.

Una base di Lewis più forte può essere usata come sostituto di un ligando piridinico che fa parte di un complesso metallico. Questa caratteristica è sfruttata nella catalisi delle reazioni di polimerizzazione e idrogenazione, utilizzando, ad esempio, il catalizzatore di Carabtree. Il Lingard piridina che viene sostituito durante la reazione viene ripristinato dopo il suo completamento.

Referenze

Nomenclatura di chimica organica: raccomandazioni IUPAC e nomi preferiti 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. p. 141.

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