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ピリジンについて知っておくべきことすべて

ピリジンについて知っておくべきことすべて

あなたが知る必要があることすべて ピリジン

ピリジンが基本です 複素環式 アジン種の化合物。 ピリジンはCH基をN原子で置換することによりベンゼンから誘導される。 ピリジン構造は、ベンゼンの構造に類似している。なぜなら、CH基をNで置換することによって関連するからである。主な相違点は、

  1. ヘテロ原子の存在に起因する完全な規則的な六方晶形から出発して、具体的には、より短い窒素 - 炭素結合、
  2. リング面内の水素原子を、sp2ハイブリッド軌道に位置し、芳香族のp電子電子軌道には関与しないリング面内のような非共有電子対で置き換える。 この孤立した窒素はピリジンの基本的性質を担うものであり、
  3. 強い永久双極子は、炭素原子と比較して窒素原子の電気陰性度が高いことを追跡可能である。

ピリジン環は、ビタミンのナイアシン、ピリドキシン、およびアジンを含むいくつかの重要な化合物で生じる。

スコットランドの化学者トーマス・アンダーソン(Thomas Anderson)は、1849のピリジンを骨油を構成する化合物のひとつとして発明しました。 2年後、アンダーソンは純粋なピリジンを骨油の分別蒸留によって得た。 これは、非常に可燃性の無色の水溶性の弱アルカリ性液体で、嫌な独特の魚様臭いがあります。

ピリジンは、医薬品や農薬の前駆体として常に使用されており、また重要な試薬や溶媒でもあります。 ピリジンは、人間の消費に適さないようにするために、エタノールに加えることができます。 また、抗ヒスタミン薬メピラミンおよびトリペレナミンの製造に適用される、 試験管内で DNAの合成、 サルファピリジン(ウイルス感染および細菌感染症の治療薬)、殺菌剤、除草剤および撥水剤の製造に使用することができる。

ほとんどの化学化合物は、ピリジンから製造されていなくても、環構造を含む。 そのような化合物には、ピリドキシンおよびナイアシンなどのビタミンB群、ニコチン、窒素含有植物生成物、およびイソニアジドとして知られる抗結核薬が含まれる。 ピリジンは、歴史的に石炭ガス化の副生成物として、そしてコールタールから生成された。 しかしながら、ピリジンの需要の高まりは、アンモニアおよびアセトアルデヒドからの経済的な生産方法の開発をもたらし、20,000トン以上は世界中で生産されています。

各部の名称 ピリジン

IUPACによって提案されたHantzsch-Widman命名法によるピリジンの系統名は、 アジン。 しかし、基本的な化合物の体系的な名前はめったに使われません。 代わりに、複素環の命名法は確立された共通の名称に従う。 IUPACは、 アジン 言及するとき ピリジン.

アジン中の環原子の番号付けは窒素で始まる。 ギリシャ文字アルファベット(α-γ)による位置の割当ておよびホモ芳香族系に特有の命名法置換パターン(オルトパラ, メタ)が使用されることがあります。 ここで、α、βおよびγはそれぞれ2位、3位および4位を意味する。

ピリジン誘導体の体系的名称 ピリジニルここで、置換原子位置に先行する数字の前には数字が続きます。 しかし歴史的な名前 ピリジル IUPACによって推奨され、体系的な名前の代わりに広く使用されています。 窒素原子に求電子基を付加することによって形成される誘導体は、 ピリジニウム.

4-ブロモピリジン

2,2'-ビピリジン

ジピコリン酸(ピリジン-2,6-ジカルボン酸)

ピリジニウムカチオンの基本形

ピリジンの製造

ピリジンは、石炭ガス化の副生成物として得られたか、またはコールタールから抽出された。 この方法は非効率的で労働費がかかりました。コールタールには0.1%のピリジンが含まれています。したがって、多段精製が必要となり、それによって出力がさらに低下しました。 今日、ほとんどのピリジンは、いくつかの名前反応を用いて合成的に製造されており、最も一般的なものについては以下で論じる。

Bohlmann-Rahtzによるピリジン合成

Bohlmann-Rahtzによるピリジン合成は、2つの主要なステップで置換ピリジンの生成を可能にする。 エチニルケトンを用いたエナミンの縮合は、熱誘起異性化の後に脱水環化を受けて2,3,6三置換ピリジンを生成するアミノジエン中間体を生じる。

Bohlmann-Rahtz機構によるピリジン合成

このメカニズムは、一般的なHantzsch Dihydropyridine Synthesisに関連しています。現場の生成されたエナミンおよびエノン種はジヒドロピリジンを生成する。 Bohlmann-Rahtz Synthesisは非常に汎用性が高いが、脱水環化に必要な中間体および信じられないほど高い温度の精製は、その有用性を制限した課題である。 課題のほとんどは克服されており、Bohlmann-Rahtz Synthesisは ピリジン類 世代。

機械的な研究は行われていないが、中間体は1 H-NMRによって特徴付けられる。 これは、最初のマイケル付加と次のプロトン移動の主要生成物が2Z-4E- ヘプタジエン-6-を抽出し、カラムクロマトグラフィーにより精製する。

従って、驚くほど高い脱水脱水温度が、 Z/E ヘテロメリゼーションの前提条件である異性化。

最近、単一段階法でテトラおよびトリ置換ピリジンの合成を可能にするいくつかの方法が開発されている。 基質としてブチノンを使用する代わりに、Bagleyは、より低揮発性で安価な4-(トリメチルシリル)but-3-yn-2-oneの変換のための様々な溶媒を試験した。 DMSOおよびEtOHのみが理想的な溶媒であることが実証された。 EtOHは、極性非プロトン性溶媒としてDMSOに対して極性およびプロトン性溶媒として明らかに好ましい。 2つの溶媒において、プロトデジシリル化が自発的に起こった。 Bagleyはまた、酸触媒作用により脱水閉環がより低い温度で継続することを実証した。

酸触媒はコンジュゲートの添加も促進する。 広範囲のエナミンを、酢酸とトルエンとの(5:1)混合物中のエチニルケトンと反応させて、一段階で官能化ピリジンを優れた収率で得た。

ブレンステッド酸触媒が成功した後、化学者はルイス酸触媒の能力を調べた。 最良の条件還流トルエン中で20モル%のイッテルビウムトリフラートまたは15モル%の臭化亜鉛のいずれかを使用した。 機構的研究は行われていないが、触媒による配位が脱水環化、マイケル付加および異性化段階を促進すると推測できる。

欠点は、酸感受性基材との限定された相溶性である。 例えば、エナミンの酸触媒分解は、シアノおよび tert電子求引性基としてのα-ブチルエステル。 別の軽度の代替法は、Amberlyst-15イオン交換試薬の適用である tert- ブチルエステル。

エナミンは容易に入手できず、プロセスの設備を増強するため、アミノ基の源として酢酸アンモニウムを使用して3成分反応を実施した。 この効果的な手順では、エナミンが生成される 現場の 存在するアルキノンと反応する。

最初の試験では、ZnBr2 およびAcOHをトルエンを溶媒として余分な触媒として加えた。 しかし、それ以来、酸感受性基質は、穏和な環境下で常に溶媒としてのEtOHと反応することが実証されている。

チチバビン合成

Chichibabinピリジン合成は1924で最初に報告され、化学工業では依然として主要な用途です。 これは、アルデヒド、ケトン、α、β-不飽和カルボニル化合物の縮合反応を伴う環形成反応である。 さらに、反応の全体的な形態は、純粋なアンモニアまたはその誘導体中の上記生成物の任意の組み合わせを含み得る。

形成 ピリジン

ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの縮合

ホルムアルデヒドおよびアセトアルデヒドは、主に非置換ピリジンの供給源である。 少なくとも、彼らは手頃な価格でアクセスしやすい。

  1. 第一段階は、ホルムアルデヒドおよびアセトアルデヒドからKnoevenagel縮合によるアクロレインの生成を含む。
  2. 次いで、最終生成物をアクロレインからアセトアルデヒドおよびアンモニアと縮合させて、ジヒドロピリジンを形成する。
  3. 最終的なプロセスは、ピリジンを得るための固体触媒との酸化反応である。
  4. 上記反応は、温度範囲400-450℃の気相中で行われる。 形成される化合物は、ピリジン、ピコリンまたは単純メチル化ピリジンおよびルチジンからなる。 しかしながら、この組成物は、使用中の触媒の影響を受け、ある程度、製造業者の要求に応じて変化する。 典型的には、触媒は遷移金属塩である。 最も一般的なものは、マンガン(II)フッ化物またはカドミウム(II)フッ化物ですが、タリウムおよびコバルト化合物は代替物質となります。
  5. ピリジンは、多段階プロセスで副生成物から回収される。チチバビンピリジン合成の主な限界は、その収率が低く、最終生成物の約20%に相当する。 この理由から、この化合物の未修飾形態はあまり一般的ではない。

ボネマン環化

ボネマン環化はアセチレン分子の2つの部分とニトリルの部分との組み合わせからの3量体の形成である。 実際、プロセスはReppe合成の修正です。

この機構は、高温および高圧からの熱によって、または光誘起付加環化によって促進される。 光により活性化される場合、ボネマン環化はCoCp2 (シクロペンタジエニル、1,5-シクロオクタジエン)を触媒として作用させる。

この方法は、使用する化合物に応じてピリジン誘導体の鎖を生成することができる。 例えば、アセトニトリルは2-メチルピリジンを生成し、これは脱アルキル化を受けてピリジンを形成することができる。

その他の方法

Kröhnkeピリジン合成

この方法はピリジンを試薬として使用しますが、最終製品には含まれません。 逆に、反応は置換ピリジンを生成する。

α-ブロモエステルと反応させると、ピリジンは不飽和カルボニルとのミカエル様反応を受けて置換ピリジンおよびピリジニウムブロミドを形成する。 この反応を、20-100°Cの温和な条件の中で酢酸アンモニアで処理する。

Ciamician-Dennstedtの再編成

これは、3-クロロピリジンを形成するジクロロカルベンを用いたピロールの環拡大を伴う。

ガッタマン・スキタ合成

この反応において、マロン酸エステル塩は、塩基の存在下でジクロロメチルアミンと反応する。

Bogerピリジン合成

反応 ピリジン類

以下の反応は、それらの電子構造からピリジンについて予測することができる:

  1. ヘテロ原子は、ピリジンを通常の求電子芳香族置換反応に対して非常に非反応性にする。 逆に、ピリジンは求核攻撃の影響を受けやすい。 ピリジンはベンゼンより求心性置換反応(SEAr)がより不本意ながら求核置換(SNAr)を受けやすい。
  2. 求電子性試薬は、好ましくはNatomおよびbC原子で攻撃するが、求核性試薬はα原子およびcC原子を好む。

窒素における求電子添加

プロトン化および四級化のような環窒素上の孤立電子対を用いた結合形成を含む反応において、ピリジンは第3級脂肪族または芳香族アミンと全く同様に挙動する。

ピリジンが塩基または求核試薬として反応するとき、ピリジニウムカチオンを形成し、その中で芳香族性六重項が保持され、窒素が形式的な正電荷を獲得する。

窒素でのプロトン化

ピリジンは結晶性の、しばしば吸湿性の塩を形成し、ほとんどのプロトン酸との塩を形成する。

窒素でのニトロ化

これはピリジンとニトロニウム塩、例えばニトロニウムテトラフルオロボレートとの反応によって容易に生じる。 もちろん、硝酸などのプロトン性ニトロ化剤は、専らNプロトン化につながる。

窒素でのアシル化

酸塩化物およびアリールスルホン酸は、溶液中で1-アシルおよび1-アリールスルホニルピリジニウム塩を生成するピリジンと迅速に反応する。

アルキルハライドおよび硫酸塩はピリジンと容易に反応して第四級ピリジニウム塩を生じる。

求核置換

ベンゼンとは異なり、多くの求核置換は、ピリジンによって効果的かつ効率的に維持され得る。 これは、環が炭素原子の電子密度がわずかに低いためである。 これらの反応には、ハイドライドイオンの除去による置換と、中間のアレーン配置を得るための脱離 - 付加が含まれ、通常は2または4位に続ける。

ピリジン単独では、いくつかの求核置換の形成をもたらすことができない。 しかし、ピリジンを臭素、スルホン酸フラグメント、塩素およびフッ素で修飾すると、脱離基が生じる可能性がある。 有機リチウム化合物の形成は、フッ素の最良の脱離基から回収することができる。 高圧で、求核性は、アルコキシド、チオレート、アミン、およびアンモニア化合物と反応することができる。

少数の 複素環式 水素化物イオンのような貧弱な脱離基を使用するため反応が起こりうる。 2位のピリジン誘導体は、チチバビン反応により得ることができる。 2-アミノピリジンは、ナトリウムアミドが求核剤として使用された場合にも継続して達成することができる。 水素分子は、アミノ基のプロトンが水素化物イオンと結合すると形成される。

ベンゼンと同様に、 ピリジン類 ヘテロアリールなどの中間体は、ピリジンへの求核置換によって得ることができる。 ナトリウムおよびカリウムtert-ブトキシドのような強アルカリの使用は、群を離れる権利を使用するときにピリジン誘導体を除去するのに役立ち得る。 求核剤を三重結合に導入した後、それは選択性を低下させ、2つの可能な付加物を有する混合物の形成をもたらす。

求心性置換

いくつかのピリジン親電子置換は、ある点まで継続することも、完全に続けることもできない。 一方、ヘテロ芳香族元素は、電子供与体の官能化によって刺激することができる。 フリーデル - クラフツアルキル化(アシル化)は、アルキル化およびアシル化の例である。 アスペクトは、窒素原子の付加をもたらすのでピリジンを受けない。 置換は、主に、求電子性付加を起こしやすい環に位置する電子に富む炭素原子の1つである3位で起こる。

ピリジンN-オキシドの構造

求電子置換は、有害なσ複雑な激しい反応のために2または4位でのピリジンの位置の変化をもたらし得る。 しかし、ピリジンN-オキシド上で求電子置換を行う間に実験方法を使用することができる。 その後、窒素原子の脱酸素が行われる。 したがって、酸素の導入は、窒素上の密度を低下させ、2-位置および4-位置炭素における置換を増強することが知られている。

2価の硫黄または3価のリンの化合物は容易に酸化されることが知られており、主に酸素原子を除去するために使用される。 トリフェニルホスフィンオキシドは、トリフェニルホスフィン試薬の酸化後に形成される化合物である。 これは、別の元素から酸素原子を取り除くために使用することができる別の試薬です。 以下の情報は、通常の求電子置換がピリジンとどのように反応するかを説明する。

直接ピリジンニトロ化は、ある厳しい条件を要求し、一般に収率はほとんどない。 ナトリウムの存在下での五酸化二窒素とピリジンとの反応は、3-ニトロピリジンの形成をもたらし得る。 ピリジンの誘導体は、窒素原子を立体的かつ電子的に拾うことにより、ニトロニウムテトラフルオロボレート(NO2BF4)のニトロ化によって得ることができる。 6-ジブロモピリジンの2つの化合物の合成は、臭素原子の除去後に3-ニトロピリジンの形成をもたらし得る。

直接ニトロ化は、ピリジンの直接スルホン化よりも快適であると考えられる。 320°Cでピリジンを沸騰させると、同じ温度でピリジン-3-スルホン酸が沸騰する硫酸よりも速くなる可能性があります。 硫黄元素の窒素原子への付加は、触媒として作用する硫酸水銀(II)の存在下でSO3基を反応させることによって得ることができる。

直接塩素化および臭素化は、ニトロ化およびスルホン化とはまったく同様に続けることができる。 3-ブロモピリジンは、臭素分子を硫酸中、130℃でピリジンと反応させることにより得ることができる。 塩素化すると、3-クロロピリジンの結果は、100℃で触媒として作用する塩化アルミニウムの存在下で低くなり得る。 ハロゲンとパラジウム(II)の直接反応は、2-ブロモピリジンと2-クロロピリジンの両方をもたらす可能性がある。

ピリジンの用途

化学工場にとって非常に重要な原材料の1つはピリジンです。 1989では、世界中のピリジンの総生産量は26Kトンでした。 1999の時点で、11最大のピリジン生産地のうち25はヨーロッパに位置していました。 主要なピリジン生産者には、コエイ・ケミカル、インペリアル・ケミカル・インダストリーズ、エボニック・インダストリーズが含まれる。

初期の2000では、ピリジンの生産量が大幅に増加しました。 例えば、中国本土だけでも年間生産能力は30,000トンに達した。 今日、米国と中国の合弁会社は世界最高のピリジン生産をもたらします。

農薬

ピリジンは主に2つの除草剤ジクワットとパラコートの前駆体として使用される。 ピリチオン系殺菌剤の調製において、ピリジンが塩基性化合物として使用される。

亜鉛ケとピリジンとの反応により、ラウリルピリジニウムとセチルピリジニウムの2つの化合物が生成される。 それらの防腐特性のために、2つの化合物は、歯科および口腔ケア製品に添加される。

アルキル化剤によるピリジンへの攻撃は、N-アルキルピリジニウム塩をもたらし、塩化セチルピリジニウムが一例である。

パラコート合成

溶媒

ピリジンが使用される別の用途はクネーベナゲル(Knoevenagel)縮合であり、それにより低反応性、極性および塩基性溶媒として使用される。 ピリジンは脱ハロゲン化反応に特に適しており、ハロゲン化水素を結合させてピリジニウム塩を形成する間に脱離反応の基礎となる。

アシル化およびエステル化において、ピリジンは無水物またはカルボン酸ハライドを活性化する。 これらの反応において、ピリジン誘導体である4-(1-ピロリジニル)ピリジンおよび4-ジメチルアミノピリジン(DMAP)がさらに活性である。 縮合反応において、ピリジンは典型的には塩基として適用される。

ピリジンとの脱離反応によるピリジニウムの生成

ピリジンは、繊維産業においても重要な原料である。 ゴムや染料の製造に溶剤として使用されるほか、綿のネットワーク容量を強化するためにも使用されています。

米国食品医薬品局(FDA)はピリジンを食品に少量添加して苦い風味を与えることを承認している。

溶液中では、ピリジンの検出閾値は、1-3 mmol・L-1 (79-237mg・L-1)。 ピリジンは、塩基であるため、カールフィッシャー試薬として利用することができる。 しかしながら、イミダゾールはピリジンの代用品として通常使用され(イミダゾール)、これは有害な臭いを有する。

ピペリジン前駆体

ルテニウム - 、コバルト - 、またはニッケル - ベースの触媒による高温でのピリジン水素化は、ピペリジンの生成をもたらす。 これは重要な合成ビルディングブロックである必須の窒素複素環である。

ピリジンに基づく特殊試薬

1975では、William SuggsとJames Coreyがピリジニウムクロロクロメートを開発しました。 それは第2級アルコールをケトンおよび第1級アルコールに酸化してアルデヒドにするために適用される。 ピリジニウムクロロクロメートは、ピリジンが濃塩酸およびクロム酸の溶液に添加された場合に通常得られる。

C5H5N + HCl + CrO3 →[C5H5NH] [CrO3Cl]

塩化クロル(CrO2Cl2)が発癌性であるため、別の経路が求められていた。 それらの1つは、酸化クロミウム(VI)を処理するために塩化ピリジニウムを使用することである。

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

Sarret試薬(ピリジン中の酸化クロム(VI)酸化物とピリジン中のピリジン複素環との錯体)、クロロクロム酸ピリジニウム(PCC)、コーンフォース試薬(二クロム酸ピリジニウム、PDC)およびコリンズ試薬(酸化クロムジクロロメタン中の複素環)は、同等のクロム - ピリジン化合物である。 それらは酸化のためにも適用され、例えば二級および一級アルコールのケトンへの転化のようなものである。

SarretとCollinsの試薬は準備するのが難しいだけでなく、危険です。 それらは吸湿性であり、調製プロセス中に点火しやすい。 その結果、PDCとPCCの使用が推奨された。 2つの試薬は、70および80において大いに利用されていたが、毒性および発癌性が確認されたため、現在ほとんど使用されていない。

クラブツリーの触媒の構造

配位化学において、ピリジンは配位子として広く使用されている。 これは誘導体であり、その誘導体2,2'-ビピリジンは、単結合によって結合した2ピリジン分子と、一緒に結合した3ピリジン環の分子であるテルピリジンを含む。

より強いルイス塩基は、金属錯体の一部であるピリジン配位子の代わりに使用することができる。 この特性は、例えばCarabtreeの触媒を用いて、重合および水素化反応の触媒作用において利用される。 反応中に置換されたピリジンリンガードは、完了後に元に戻る。

リファレンス

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