Пиридин

Строение пиридина

Строение пиридина полностью аналогично строению бензола, с той лишь разницей, что одна группа СН бензола заменена в пиридине на атом азота.

Такая замена приводит к следующим существенным изменениям: (а) нарушается геометрия правильного гексагона, поскольку связь углерод — азот короче, чем связь углерод — углерод; (б) в молекуле пиридина вместо одного атома водорода, расположенного в плоскости цикла, присутствует неподелённая пара электронов, также расположенная в плоскости цикла, занимающая sp2-гибридную орбиталь и не принимающая участия в образовании ароматического секстета электронов (именно эта неподеленная пара электронов обусловливает основные свойства пиридина); (в) молекула пиридина представляет собой постоянный диполь вследствие большей электроотрицательности атома азота по сравнению с атомом углерода.

Электроотрицательный атом азота способствует индуктивной поляризации молекулы пиридина в результате смещения электронной плотности преимущественно по σ-связям. Кроме того, атом азота определяет стабильность поляризованных канонических структур, в которых он отрицательно заряжен — структуры 8, 9 и 10.

Эти структуры вместе со структурами 6 и 7, которые полностью аналогичны формулам Кекуле бензола, вносят вклад в строение молекулы пиридина.

Полязированные канонические структуры подразумевают также постоянно присутствующую в молекуле пиридина поляризацию системы π-электронов (при рассмотрении с позиций более строгого метода молекулярных орбиталей это связано с относительным различием в орбитальных коэффициентах ВЗМО и НСМО).

Поскольку индуктивный и мезомерный эффекты имеют одну и ту же направленность, молекула пиридина поляризована со смещением электронной плотности к атому азота.

Поскольку на атомах углерода молекулы пиридина наблюдается некий дефицит электронов, пиридин и аналогичные гетероароматические соединения принято относить к электронодефицитным гетероциклическим соединениям или, как иногда говорят, π-дефицитным.

Сравнение дипольного момента пиридина с дипольным моментом пиперидина, полярность которого связана исключительно с индуктивным эффектом, показывает, что пиридин дополнительно поляризован вследствие перераспределения электронной плотности в системе π-электронов.

1.2.1. Строение пиридина

Список литературы к главе 1

Существует значительный ряд гетероциклических соединений, для которых не могут быть написаны неполяризованные канонические формы; такие соединения называются «мезоионными» [7].

Несмотря на присутствие в молекулах мезоионных соединений положительного и отрицательного зарядов во всех возможных резонансных структурах, такие соединения не представляют собой солеобразные вещества.

Мезоионные соединения в целом нейтральны и подобно обычным органическим веществам растворяются в обычных органических растворителях. Примеры мезоионных соединений будут встречаться далее в книге. Среди давно изученных мезоионных соединений можно назвать сидноны.

Мезоионные соединения встречаются также и среди шестичленных гетероциклических соединений. Два примера таких структур приведены ниже:

Единственное, что отличает мезоионные соединение от других, это их диполярное строение, позволяющее им вступать в реакции цикло-присоединения в качестве 1,3-диполей.

1.6. Мезоионные соединения

Список литературы к главе 1

Page 3

Прежде, чем обсуждать строение пиррола, вспомним строение циклопента-диенил-аниона, который представляет собой 6π-электронную ароматическую систему, образующуюся при депротонировании циклопентадиена[5].

Эта система служит прекрасной иллюстрацией различия между ароматической стабилизацией и реакционной способностью.

Значение рКа циклопентадиена равно −14, то есть кислотность этого соединения значительно выше, чем кислотность простых диенов, что обусловлено исключительно тем, что образующийся анион резонансно стабилизирован. Пять одинаковых канонических структур 28–32 демонстрируют, что все атомы углерода эквивалентны и несут 1/5 отрицательного заряда.

Пиррол изоэлектронен циклопентадиенил-аниону, но электрически нейтрален вследствие присутствия в нем атома трёхвалентного азота.

Другое следствие, связанное с присутствием атома азота в цикле, обусловлено отсутствием у пиррола радиальной симметрии: для пиррола не существует одинаковых канонических форм, для него могут быть написаны одна каноническая структура без разделения зарядов 33 и две пары эквивалентных структур с разделёнными зарядами, которые демонстрируют смещение электронной плотности от атома азота. Вклад резонансных форм в истинное строение пиррола не одинаков и может быть представлен следующей последовательностью: 33 > 35, 37 > 34, 36.

Резонансное распределение электронной плотности в молекуле пиррола приводит к возникновению частичного отрицательного заряда на атомах углерода и частичного положительного заряда на атоме азота.

Несомненно, что индуктивный эффект атома азота имеет обычную направленность, то есть электронная плотность смещена от атомов углерода к атомам азота.

Таким образом, распределение электронов в молекуле пиррола определяется балансом между двумя противоположно направленными эффектами, причём мезомерный эффект оказывает более сильное влияние.

Длина связи C(3)-C(4) в пирроле гораздо больше, чем длины связей C(2)-C(3) и C(4)-C(5), и заметно меньше, чем длина нормальной одинарной связи, что согласуется с вкладом канонических форм 34–37 в строение пиррола.

Поскольку в пятичленных гетероциклических соединениях типа пиррола электронная плотность смещена от гетероатома к атомам углерода, такие гетероциклические соединения относят к «электроноизбыточным» или «π-избыточным» гетероциклам.

1.3.1. Строение пиррола

Список литературы к главе 1

Page 4

Строение тиофена и фурана аналогично детально обсуждённому выше строению пиррола, с той лишь разницей, что в гетероцикл вместо группы NH включён атом серы или кислорода соответственно.

Гетероатом предоставляет одну пару электронов для образования ароматической системы, так же как и в случае пиррола, а другая пара электронов, не включённая в ароматическую систему, занимает sp2-гибридную орбиталь, расположенную в плоскости цикла.

Канонические формы тиофена и фурана полностью аналогичны каноническим структурам пиррола.

Однако большая электроотрицательность атомов серы и кислорода по сравнению с атомом азота определяют меньший вклад поляризованных канонических структур с положительно заряженным гетероатомом в истинное строение гетероциклических молекул.

Для тиофена и фурана мезомерное смещение электронной плотности от гетероатома к атомам углерода цикла не перекрывает индуктивную поляризацию молекул в результате смещения электронной плотности к гетероатому (определяемые индуктивной поляризацией дипольные моменты тетрагидротиофена и тетрагидрофурана, равные 1,87 и 1,68 D соответственно, все же больше, чем дипольные моменты соответствующих ароматических молекул). В целом, молекулы тиофена и фурана представляют собой диполи со смещением электронной плотности к гетероатому.

Больший атомный радиус серы — один из факторов, обеспечивающих большую стабильность (большую ароматичность) тиофена по сравнению с фураном и пирролом, поскольку углы связей в тиофене больше, и вследствие этого в некоторой степени снимается угловое напряжение. Кроме того, существенный дополнительный вклад в стабилизацию тиофена может вносить d-орбиталь атома серы.

1.3.2. Строение тиофена и фурана

Список литературы к главе 1

Page 5

1,3- и 1,2-Азолы — пятичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами — представляют собой сочетание гетероциклических соединений двух типов.

В молекулах всех азолов присутствует один гетероатом, аналогичный гетероатому пятичленных гетероциклических соединений (пиррол, тиофен, фуран), и один гетероатом иминного типа, как в пиридине.

Лучшей иллюстрацией такого сочетания служит имидазол, содержащий два атома азота разных типов. Для имилазола наиболее предпочтительна каноническая структура 39.

1.3.3. Строение азолов

Список литературы к главе 1

Page 6

Строение диазинов (шестичленных гетероциклических соединений с двумя атомами азота в цикле) аналогично строению пиридина. Разница заключается лишь в том, что в молекулах диазинов присутствует два атома азота и, соответственно, две неподелённые пары электронов. Ниже приведены основные канонические формы (11–18), вносящие вклад в строение пиримидина:

1.2.2. Строение диазинов

Список литературы к главе 1

Пиридин | Химия онлайн

Пиридин С5Н5N – простейший шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота. Его можно рассматривать как аналог бензола, в котором одна группа СН заменена на атом азота.

Электронное строение молекулы пиридина

Электронное строение молекулы пиридина сходно со строением бензола. Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. Все s-связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями, углы между ними составляют примерно 120°. Поэтому цикл имеет плоское строение. Шесть электронов, находящихся на негибридных р-орбиталях, образуют p-электронную ароматическую систему.

Из трех гибридных орбиталей атома азота две образуют s-связи С–N, а третья содержит неподеленную пару электронов, которая не участвует в образовании p-электронной системы.

Физические свойства

Пиридин – бесцветная жидкость с характерным неприятным запахом, Ткип= 1150С. Хорошо растворяется в воде и органических жидкостях. Ядовит! Вдыхание его паров может привести к тяжелому поражению нервной системы.

Химические свойства

Химические свойства пиридина определяются наличием ароматической системы и атома азота с неподеленной электронной парой.

Основные свойства

Неподеленная электронная пара атома азота в молекуле не участвует в образовании единой π-электронной системы, поэтому пиридин подобно аминам, проявляет свойства основания. Пиридин – более слабое основание, чем алифатические амины.

1. Взаимодействие с водой

Водный раствор пиридина окрашивает лакмус в синий цвет.

2. Взаимодействие с кислотами

При взаимодействии пиридина с сильными кислотами образуются соли пиридиния.

Ароматические свойства

1. Реакции электрофильного замещения

Наряду с основными свойствами пиридин проявляет свойства ароматического соединения.

Нитрование

Азот как более электроотрицательный элемент оттягивает электроны на себя и понижает плотность электронного облака в кольце, в особенности в положениях 2, 4 и 6 (орто- и пара- положения), создавая частичный отрицательный заряд в мета-положении.

Атом азота в реакциях электрофильного замещения ведет себя как заместитель II рода, электрофильное замещение идет в положение 3 (мета-положение).

Поэтому реакция нитрования пиридина проходит в более жестких условиях, чем у бензола ( при 3000С) и с низким выходом.

2. Реакции присоединения (гидрирование)

Как и бензол, пиридин  может присоединять водород в присутствии катализатора с образованием насыщенного соединения пиперидина.

Пиперидин представляет собой циклический вторичный амин и является гораздо более сильным основанием, чем пиридин.

3. Реакции нуклеофильного замещения

Аминирование

В отличие от бензола, пиридин способен вступать в реакции нуклеофильного замещения, поскольку атом азота оттягивает на себя электронную плотность из ароматической системы, и орто-пара-положения по отношению к атому азота обеднены электронами. Так, пиридин может реагировать с амидом натрия, образуя смесь орто- и пара- аминопиридинов (реакция Чичибабина).

4. Гомологи пиридина по свойствам похожи на гомологи бензола. Так, при окислении боковых цепей образуются соответствующие карбоновые кислоты.

Пиридин, как и бензол, устойчив по отношению к окислителям: он не обесцвечивает раствор перманганата калия даже при нагревании.

Получение

1. Выделение из каменноугольной смолы

Пиридин выделяют из каменноугольной смолы, в которой его содержание составляет 0,08%.

2. Синтез из ацетилена и циановодорода

В лабораторных условиях пиридин можно синтезировать из синильной кислоты (циановодород) и ацетилена:

Биологическая роль

Гомолог пиридина – 3-метилпиридин (β-пиколин) – при окислении образует никотиновую кислоту:

Никотиновая кислота и ее амид – никотинамид

представляют собой две формы витамина РР, который применяется для лечения пеллагры (кожное заболевание).

Многие производные пиридина играют важную роль в природе и жизни человека: они являются витаминами, биологически активными веществами, лекарственными препаратами, красителями и т.п.

Проявляя основные свойства, пиридин и его гомологи известны под общим названием пиридиновые основания.

Гетероциклические соединения