Пиридин: строение и основность

8 заданий

Электронное строение

Пиридин выглядит как бензол, в котором одна группа CH заменена на N. Но этот азот меняет почти всё.

Как описать пиридин

Шесть π-электронов — три двойные связи; пара азота на sp²-орбитали в плоскости кольца, в секстет не входит.
Азот оттягивает электроны индуктивно и мезомерно: в резонансных структурах плюс появляется на C2, C4 и C6. Кольцо π-дефицитное, диполь (2,2 D) направлен к азоту.
Следствия: электрофилы атакуют кольцо трудно и в C3; нуклеофилы — легко в C2 и C4 (урок 359); атомы H метильных групп в C2 и C4 становятся кислыми.
Свободная пара азота — основный и нуклеофильный центр: пиридин присоединяет протон, алкилгалогениды, кислоты Льюиса, окисляется надкислотами в N-оксид.

Резонанс пиридина: дефицит электронов на C2, C4 и C6

Примеры

1. Пиридин + HCl → хлорид пиридиния; пиридин + \(\ce{CH3I}\) → иодид 1-метилпиридиния. Ароматичность сохраняется: протон и метил садятся на пару в плоскости.

2. Пиридин нитруется только при 300 °C (нитрат калия в олеуме), в 3-нитропиридин и с выходом несколько процентов; бензол — при 50 °C.

errorПара пиридина не в секстете

В пирроле пара азота — часть ароматической системы, в пиридине — нет. Поэтому пиридин основание, а пиррол нет. Не рисуйте пару пиридина «в кольце».

edit_noteПопробуйте сами

В каких положениях пиридина электронная плотность понижена сильнее всего?

expand_moreПоказать решение

C2, C4 и C6 (α- и γ-положения).

Основность, заместители и DMAP

Основность пиридина легко настраивать заместителями — так получают и сверхактивные катализаторы, и основания, которые не мешают реакции.

Как оценить замещённый пиридин

Донор в положениях 2 и 4 (особенно \(\ce{NH2}\), \(\ce{NMe2}\)) повышает основность: его пара сопряжена с азотом кольца, катион стабилизирован резонансной формой с \(\ce{=NR2+}\).
Акцептор (Cl, CN, \(\ce{NO2}\)) понижает основность, сильнее всего — рядом с азотом (в C2).
Алкилы слегка повышают основность (метил — примерно на 0,8).
Объёмные группы у C2 и C6 мешают азоту атаковать крупные электрофилы, но пропускают протон: 2,6-лутидин и 2,6-ди-трет-бутилпиридин — ненуклеофильные основания.
DMAP — нуклеофильный катализатор: атакует ангидрид и даёт N-ацилпиридиниевый ион, стабилизированный группой \(\ce{NMe2}\); он ацилирует даже третичные спирты.

Пиридин	\(pK_{aH}\)
пиридин	5,2
2-метилпиридин	6,0
2,6-диметилпиридин (2,6-лутидин)	6,7
4-аминопиридин	9,2
4-(диметиламино)пиридин (DMAP)	9,6
3-хлорпиридин	2,8
2-хлорпиридин	0,7

DMAP атакует ангидрид: ацилпиридиниевый ион, стабилизированный группой NMe₂

Примеры

1. Трет-бутанол и уксусный ангидрид почти не реагируют; с 5 мол. % DMAP и триэтиламином получается трет-бутилацетат.

2. 2,6-Лутидин связывает трифторметансульфокислоту при силилировании спирта TBSOTf, но сам с TBSOTf не реагирует.

3. 4-Аминопиридин (9,2) основнее 3-аминопиридина (6,0): пара \(\ce{NH2}\) сопряжена с азотом кольца только из положений 2 и 4.

errorПротонируется азот кольца, а не аминогруппа

В аминопиридинах основный центр — азот кольца: его протонирование усиливает сопряжение с аминогруппой, а протонирование аминогруппы сопряжение разрушило бы.

edit_noteПопробуйте сами

Что основнее: 2-хлорпиридин или 4-метилпиридин?

expand_moreПоказать решение

4-Метилпиридин (\(pK_{aH}\) около 6); у 2-хлорпиридина — 0,7.

push_pinГлавное

Пиридин — азотистый аналог бензола: шесть π-электронов, пара азота на sp²-орбитали в плоскости кольца. Азот оттягивает π-плотность: C2, C4 и C6 обеднены, кольцо π-дефицитное — электрофильное замещение затруднено и идёт в C3, нуклеофильное облегчено (C2 и C4), метильные группы в C2 и C4 становятся C–H-кислотами. Пара азота свободна, поэтому пиридин — основание (\(pK_{aH}\) 5,2; слабее аминов из-за sp²) и нуклеофил: с кислотами даёт соли пиридиния, с RX — N-алкилпиридиниевые соли, с надкислотами — N-оксид, с \(\ce{SO3}\) — комплекс. Доноры в положениях 2 и 4 повышают основность (4-аминопиридин 9,2; DMAP 9,6), акцепторы понижают (3-хлорпиридин 2,8; 2-хлорпиридин 0,7). Объёмные группы у C2 и C6 не мешают протону, но мешают крупным электрофилам: 2,6-лутидин и 2,6-ди-трет-бутилпиридин — ненуклеофильные основания. DMAP — нуклеофильный катализатор ацилирования.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.