Blog

Todo lo que necesitas saber sobre las piridinas

Todo lo que necesitas saber sobre las piridinas

Todo lo que necesita saber sobre Piridinas

La piridina es la base heterocíclico Compuesto del tipo azina. La piridina se deriva del benceno a través de la sustitución del grupo CH por el átomo de N. La estructura de piridina es análoga a la estructura del benceno, ya que se relaciona mediante la sustitución del grupo CH por N. Las principales diferencias incluyen:

  1. Salida de una geometría hexagonal regular perfecta debido a la presencia de un heteroátomo, para ser específicos, los enlaces de nitrógeno-carbono más cortos,
  2. Reemplazo de un átomo de hidrógeno en el plano del anillo con el par de electrones no compartidos, como en el plano del anillo, ubicado en el orbital híbrido sp2, y no involucrado en un sexteto aromático de p-electrón. Este par de nitrógeno solitario es el responsable de las propiedades básicas de las piridinas,
  3. El fuerte dipolo permanente trazable a una electronegatividad más alta del átomo de nitrógeno en comparación con un átomo de carbono.

El anillo de piridina se produce en varios compuestos cruciales, incluidas las vitaminas niacina, piridoxina y azinas.

Químico escocés, Thomas Anderson inventó la piridina en 1849 como uno de los compuestos que constituyen el aceite de hueso. Después de dos años, Anderson derivó piridina pura por destilación fraccionada de aceite de hueso. Es un líquido altamente inflamable, incoloro, soluble en agua, débilmente alcalino, con un desagradable olor distintivo a pescado.

La piridina se usa siempre como un precursor de productos farmacéuticos y agroquímicos y también es un reactivo y disolvente crucial. La piridina se puede agregar al etanol si desea que no sea apto para el consumo humano. También es aplicable en la producción de medicamentos antihistamínicos mepiramina y tripelenamina., in vitro síntesis de ADN, en la producción de sulfapiridina (medicamento para tratar infecciones virales e infecciones bacterianas), así como bactericidas, herbicidas y repelentes del agua.

La mayoría de los compuestos químicos, aunque no se producen a partir de piridina, contienen una estructura de anillo. Dichos compuestos incluyen vitaminas B como la piridoxina y la niacina, la nicotina, los productos vegetales que contienen nitrógeno y el medicamento contra la tuberculosis conocido como isoniacida. La piridina se produjo históricamente como un subproducto de la gasificación del carbón y del alquitrán de hulla. Sin embargo, la creciente demanda de piridina condujo al desarrollo de métodos económicos de producción a partir de amoníaco y acetaldehído, y se producen más de 20,000 toneladas por año en todo el mundo.

Nomenclatura de piridina

El nombre sistemático de piridina, según la nomenclatura Hantzsch-Widman sugerida por la IUPAC, es azine. Pero los nombres sistemáticos para compuestos básicos se usan raramente; en cambio, la nomenclatura de heterociclos sigue nombres comunes establecidos. El IUPAC no fomenta el uso de azine cuando se refiere a piridina.

La numeración de los átomos del anillo en azina comienza en el nitrógeno. Una asignación de las posiciones por la letra del alfabeto griego (α-γ) y el patrón de sustitución de nomenclatura típico de los sistemas homoaromáticos (para orto, meta,) se utilizan a veces. Aquí α, β y γ se refieren a las dos, tres y cuatro posiciones, respectivamente.

Nombre sistemático para los derivados de piridina es piridinilo, donde un número precede a la posición del átomo sustituido está precedido por un número. Pero el nombre histórico piridilo es recomendado por la IUPAC y se usa ampliamente en lugar del nombre sistemático. El derivado formado a través de la adición de un electrófilo al átomo de nitrógeno se conoce como piridinio.

4-bromopiridina

2,2'-bipiridina

Ácido dipicolínico (ácido piridina-2,6-dicarboxílico)

La forma básica del catión piridinio.

Producción de piridina.

La piridina se obtuvo como el subproducto de la gasificación del carbón o se extrajo del alquitrán de hulla. Este método era ineficiente y consumía mucho trabajo: el alquitrán de hulla tenía alrededor de 0.1 por ciento de piridina, y por lo tanto se necesitaba una purificación de múltiples etapas, lo que redujo aún más la producción. Hoy en día, la mayoría de la piridina se fabrica sintéticamente utilizando varias reacciones de nombre, y las más comunes se analizan a continuación.

Síntesis de piridina a través de Bohlmann-Rahtz

La síntesis de piridina a través de Bohlmann-Rahtz permite la generación de piridinas sustituidas en dos pasos principales. La condensación de enaminas usando etinilcetonas da como resultado un intermedio de aminodieno que, después de la isomerización inducida por calor, experimenta ciclodehidratación para producir piridinas trisustituidas con 2,3,6.

Síntesis de piridina a través de un mecanismo de Bohlmann-Rahtz

El mecanismo está relacionado con la popular Síntesis de dihidropiridina de Hantzsch, dondein situlas especies de enamina y enona generadas producen dihidropiridinas. Aunque Bohlmann-Rahtz Synthesis es muy versátil, la purificación de temperaturas intermedias e increíblemente altas necesarias para la ciclodeshidratación son desafíos que han limitado su utilidad. La mayoría de los desafíos han sido superados, lo que hace que Bohlmann-Rahtz Synthesis sea más esencial en el piridinas generación.

Aunque no se ha realizado ninguna investigación mecánica, los intermedios pueden caracterizarse por H-RMN. Esto muestra que el principal producto de la primera adición de Michael y la siguiente transferencia de protones puede ser un 2Z-4E-heptadien-6-uno que se extrae y purifica mediante cromatografía en columna.

Por lo tanto, se necesitan temperaturas de ciclodeshidratación increíblemente altas para facilitar Z/E isomerizaciones que son un requisito previo para la heteroannelation.

Varios métodos que permiten la síntesis de piridinas tetra y trisustituidas en un proceso de una sola etapa se han desarrollado recientemente. En lugar de utilizar butynone como sustrato, Bagley probó varios solventes para la conversión de 4- (trimetilsilil) menos-volátil y económico, pero-3-yn-2-one. Se demostró que solo DMSO y EtOH son solventes ideales. Se prefiere claramente que EtOH sea disolvente polar y prótico frente a DMSO como el disolvente aprótico polar. En los dos solventes, la protodesililación tuvo lugar espontáneamente. Bagley también ha demostrado que la catálisis ácida permite que la ciclodeshidratación continúe a una temperatura más baja.

La catálisis ácida también aumenta la adición del conjugado. Se hizo reaccionar una amplia gama de enaminas con etinilcetonas en la mezcla (5: 1) de ácido acético y tolueno para proporcionar piridinas funcionalizadas en un solo paso con rendimientos excelentes.

Después del éxito de la catálisis ácida de Brønstedt, el químico investigó la capacidad de los catalizadores ácidos de Lewis. Mejores condiciones Se usó un veinte% en moles de triflato de iterbio o un quince% en moles de bromuro de zinc en el tolueno a reflujo. Aunque no se realizó la investigación mecánica, podemos suponer que la coordinación del catalizador acelera la ciclodeshidratación, la adición de Michael y los pasos de isomerización.

El inconveniente es la limitada compatibilidad con los sustratos sensibles a los ácidos. Por ejemplo, la descomposición de las enaminas catalizada por ácido tiene lugar con ciano y tert-butilester como grupos extractores de electrones. Otra alternativa suave es la aplicación del reactivo de intercambio iónico Amberlyst-15 que tolera tert- Butylesters.

Como las enaminas no están fácilmente disponibles, y para mejorar la facilidad del proceso, se realizó una reacción del componente 3 utilizando acetato de amonio como fuente del grupo amino. En este procedimiento efectivo, se genera enamina. in situ Que reacciona con la alquinona presente.

En la primera prueba, ZnBr2 y AcOH se aplicaron como catalizadores adicionales con tolueno como disolvente. Sin embargo, desde entonces se ha demostrado que los sustratos sensibles a los ácidos siempre reaccionan en un ambiente suave con EtOH como disolvente.

Síntesis de Chichibabin

La síntesis de piridina de Chichibabin se informó por primera vez en 1924 y sigue siendo una aplicación importante en la industria química. Es una reacción de formación de anillos, que implica la reacción de condensación de aldehídos, cetonas, compuestos carbonílicos α, β-insaturados. Además, la forma general de la reacción puede incluir cualquier combinación de los productos anteriores en amoníaco puro o sus derivados.

Formación de Piridina

Condensación de formaldehído y acetaldehído

El formaldehído y el acetaldehído son principalmente las fuentes de piridina no sustituida. Al menos, son asequibles y bastante accesibles.

  1. El primer paso implica la formación de acroleína a partir de formaldehído y acetaldehído a través de la condensación de Knoevenagel.
  2. El producto final se condensa a partir de acroleína con acetaldehído y amoníaco, formando dihidropiridina.
  3. El proceso final es una reacción de oxidación con un catalizador en estado sólido para producir piridina.
  4. La reacción anterior se realiza en una fase gaseosa con un rango de temperatura de 400-450 ° C. El compuesto formado consiste en piridina, picolina o piridinas metiladas simples y lutidina. Sin embargo, la composición está sujeta al catalizador en uso y, hasta cierto punto, varía con las demandas del fabricante. Típicamente, el catalizador es una sal de metal de transición. Los más comunes son el fluoruro de manganeso (II) o el fluoruro de cadmio (II), aunque los compuestos de talio y cobalto pueden ser alternativas.
  5. La piridina se recupera de los subproductos en un proceso de varias etapas. La principal limitación de la síntesis de piridina de Chichibabin es su bajo rendimiento, que se traduce en aproximadamente el 20% de los productos finales. Por esta razón, las formas no modificadas de este compuesto son menos frecuentes.

Ciclación de Bönnemann

La ciclación de Bönnemann es la formación de un trímero a partir de la combinación de dos partes de una molécula de acetileno y una parte de un nitrilo. En realidad, el proceso es una modificación de la síntesis de Reppe.

El mecanismo es facilitado por el calor de temperaturas y presión elevadas o por medio de la cicloadición fotoinducida. Cuando se activa con la luz, la ciclación de Bönnemann requiere CoCp2 (ciclopentadienilo, 1,5-ciclooctadieno) para actuar como un catalizador.

Este método puede producir una cadena de derivados de piridina según los compuestos utilizados. Por ejemplo, el acetonitrilo producirá 2-metilpiridina, que puede sufrir desalquilación para formar piridina.

Otros metodos

La síntesis de piridina de Kröhnke

Este método usa piridina como reactivo, aunque no se incluirá en el producto final. Al contrario, la reacción generará piridinas sustituidas.

Cuando se hace reaccionar con α-bromoésteres, la piridina experimentará una reacción de tipo Michael con los carbonilos insaturados para formar la piridina sustituida y el bromuro de piridinio. La reacción se trata con acetato de amoniaco en condiciones suaves 20-100 ° C.

El reordenamiento Ciamician-Dennstedt

Esto implica la expansión del anillo del pirrol con diclorocarbeno formando 3-cloropiridina.

Síntesis de Gattermann-Skita

En esta reacción, la sal de éster de malonato reacciona con diclorometilamina en presencia de una base.

Boger piridina síntesis

Reacciones de piridinas

Las siguientes reacciones pueden predecirse para las piridinas a partir de su estructura electrónica:

  1. El heteroátomo hace que las piridinas sean muy poco reactivas a las reacciones de sustitución aromática electrofílica normales. Por el contrario, las piridinas son susceptibles al ataque nucleofílico. Las piridinas experimentan reacciones de sustitución electrófila (SEAr) más a regañadientes pero la sustitución nucleofílica (SNAr) es más fácil que el benceno.
  2. Los reactivos electrofílicos atacan preferiblemente en los átomos de Natom y bC, mientras que los reactivos nucleofílicos prefieren los átomos a y cC.

Adición electrofílica en nitrógeno

En las reacciones que implican la formación de enlaces utilizando el par de electrones solitario en el nitrógeno del anillo, como la protonación y la cuaternización, las piridinas se comportan exactamente como las aminas alifáticas o aromáticas terciarias.

Cuando una piridina reacciona como una base o un nucleófilo, forma un catión de piridinio en el que se retiene el sexteto aromático, y el nitrógeno adquiere una carga positiva formal.

Protonación en Nitrógeno

Las piridinas forman sales cristalinas, frecuentemente higroscópicas, con la mayoría de los ácidos próticos.

Nitracion en Nitrogen

Esto ocurre fácilmente por reacción de piridinas con sales de nitronio, como tetrafluoroborato de nitronio. Los agentes nitrosos protónicos como el ácido nítrico, por supuesto, conducen exclusivamente a la protonación N.

Acilación en nitrógeno

Los cloruros de ácido y los ácidos arilsulfónicos reaccionan rápidamente con las piridinas que generan sales de 1-acil- y 1-arilsulfonilpiridinio en solución.

Los haluros de alquilo y los sulfatos reaccionan fácilmente con piridinas dando sales de piridinio cuaternario.

Sustituciones nucleofílicas

A diferencia del benceno, numerosas sustituciones nucleofílicas pueden ser sostenidas eficaz y eficientemente por la piridina. Es porque el anillo tiene una densidad de electrones ligeramente inferior de los átomos de carbono. Estas reacciones incluyen reemplazos con la eliminación de un ion hidruro y adiciones de eliminación para obtener una configuración aryne intermedia y generalmente continúan en la posición 2 o 4.

La piridina sola no puede dar como resultado la formación de varias sustituciones nucleofílicas. Sin embargo, la modificación de piridina con bromo, fragmentos de ácido sulfónico, cloro y flúor puede dar como resultado un grupo saliente. La formación de compuestos de organolitio puede recuperarse del mejor grupo saliente de flúor. A alta presión, nucleofílico puede reaccionar con alcóxidos, tiolatos, aminas y compuestos de amoníaco.

Pocos heterocíclico pueden ocurrir reacciones debido al uso de un grupo saliente pobre como el ion hidruro. Los derivados de piridina en la posición 2 pueden obtenerse a través de la reacción de Chichibabin. 2-aminopiridina puede continuarse cuando se usa amida de sodio como nucleófilo. La molécula de hidrógeno se forma cuando los protones del grupo amino se combinan con el ion hidruro.

Similar al benceno, piridinas Los intermedios, como el heteroarino, se pueden obtener a través de sustituciones nucleófilas a piridina. El uso de álcalis fuertes como el tert-butóxido de sodio y potasio puede ayudar a deshacerse de los derivados de piridina cuando se usa el derecho de abandonar el grupo. Tras la introducción del nucleófilo en el triple enlace, disminuye la selectividad y conduce a la formación de una mezcla que tiene dos aductos posibles.

Sustituciones electrofílicas

Varias sustituciones electrofílicas de piridina pueden continuar hasta cierto punto o no continuar completamente. Por otro lado, el elemento heteroaromático se puede estimular a través de la funcionalización de la donación de electrones. La alquilación de Friedel-Crafts (acilación) es un ejemplo de alquilaciones y acilaciones. El aspecto no se somete a la piridina ya que da como resultado la adición de un átomo de nitrógeno. Las sustituciones ocurren principalmente en la posición tres, que es uno de los átomos de carbono ricos en electrones ubicados en el anillo, lo que lo hace propenso a la adición electrofílica.

Estructura de piridina N-óxido

Las sustituciones electrofílicas pueden provocar el cambio de posición de la piridina en la posición 2 o 4 debido a la reacción adversa compleja compleja. Sin embargo, se pueden usar métodos experimentales al realizar una sustitución electrófila en N-óxido de piridina. Más tarde es seguida por la desoxigenación del átomo de nitrógeno. Por lo tanto, se sabe que la introducción de oxígeno reduce la densidad sobre el nitrógeno y mejora la sustitución en la posición 2 y en los carbonos de la posición 4.

Se sabe que los compuestos de azufre divalente o fósforo trivalente se oxidan fácilmente y, por lo tanto, se usan principalmente para eliminar el átomo de oxígeno. El óxido de trifenilfosfina es un compuesto que se forma después de la oxidación del reactivo trifenilfosfina. Es otro reactivo que puede usarse para deshacerse de un átomo de oxígeno de otro elemento. La siguiente información describe cómo la sustitución electrófila ordinaria reacciona con la piridina.

La nitración directa de piridina exige ciertas condiciones severas, y generalmente tiene pocos rendimientos. La reacción de pentóxido de dinitrógeno con piridina en presencia de sodio puede dar como resultado la formación de 3-nitropiridina. Los derivados de la piridina pueden obtenerse mediante la nitración del tetrafluoroborato de nitronio (NO2BF4) mediante la selección estérica y electrónica del átomo de nitrógeno. La síntesis de dos compuestos de 6-dibromo piridina puede dar como resultado la formación de 3-nitropiridina después de la eliminación de los átomos de bromo.

La nitración directa se considera más cómoda que la sulfonación directa de piridina. La ebullición de piridina a 320 ° C puede dar como resultado ácido piridina-3-sulfónico más rápido que hirviendo ácido sulfúrico a las mismas temperaturas. La adición del elemento de azufre al átomo de nitrógeno puede obtenerse haciendo reaccionar el grupo SO3 en presencia de sulfato de mercurio (II) que actúa como catalizador.

La cloración y la bromación directas pueden continuar bien a diferencia de la nitración y la sulfonación. 3-bromopiridina puede obtenerse mediante reacción de bromo molecular en ácido sulfúrico a 130 ° C con piridina. Tras la cloración, el resultado de 3-cloropiridina puede ser bajo en presencia de cloruro de aluminio que actúa como catalizador a 100 ° C. La reacción directa de halógeno y paladio (II) puede dar como resultado 2-bromopiridina y 2-cloropiridina.

Aplicaciones de piridina

Una de las materias primas que son cruciales para las fábricas químicas es la piridina. En 1989, la producción total de piridina en todo el mundo fue de 26K toneladas. A partir de 1999, 11 de los sitios de producción de piridina más grandes de 25 se encontraba en Europa. Los principales productores de piridina incluyen Koei Chemical, Imperial Chemical Industries y Evonik Industries.

En los primeros 2000, la producción de piridina aumentó en un alto margen. Por ejemplo, China continental solo alcanzó una capacidad de producción anual de 30,000 toneladas. Hoy, la empresa conjunta entre los EE. UU. Y China resulta en la producción de piridina más alta del mundo.

Pesticidas

La piridina se usa principalmente como precursor de dos herbicidas, diquat y paraquat. En la preparación de fungicidas a base de piritiona, se usa piridina como compuesto básico.

La reacción entre Zincke y piridina da como resultado la producción de dos compuestos: laurilpiridinio y cetilpiridinio. Debido a sus propiedades antisépticas, los dos compuestos se agregan a los productos de cuidado dental y oral.

Un ataque de un agente alquilante a la piridina da como resultado sales de N-alquilpiridinio, siendo el ejemplo el cloruro de cetilpiridinio.

Síntesis de Paraquat

Solvente

Otra aplicación en la que se usa piridina es en las condensaciones de Knoevenagel, por lo que se usa como disolvente básico, polar y de baja reactividad. La piridina es particularmente ideal para la deshalogenación, donde sirve como la base de la reacción de eliminación al unir el haluro de hidrógeno resultante para formar sal de piridinio.

En acilaciones y esterificaciones, la piridina activa los anhídridos o los haluros de ácido carboxílico. Aún más activas en estas reacciones están 4- (1-pirrolidinil) piridina y 4-dimetilaminopiridina (DMAP), que son derivados de piridina. En las reacciones de condensación, la piridina se aplica típicamente como una base.

Formación de piridinio a través de la reacción de eliminación con piridina

La piridina también es una materia prima importante en la industria textil. Además de ser aplicado como solvente en la producción de caucho y tintes, también se usa para mejorar la capacidad de red del algodón.

La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos aprueba la adición de piridina en pequeñas cantidades a los alimentos para proporcionarles un sabor amargo.

En soluciones, el umbral de detección de piridina es alrededor de 1 – 3 mmol·L-1 (79 – 237 mg · L-1) Al ser una base, la piridina se puede utilizar como un reactivo de Karl Fischer. Sin embargo, el imidazol se usa generalmente como un sustituto de la piridina ya que (imidazol) tiene un olor agradable.

Precursor de Piperidina

La hidrogenación de piridina con catalizador a base de rutenio, cobalto o níquel a altas temperaturas da como resultado la producción de piperidina. Este es un heterociclo de nitrógeno esencial que es un bloque de construcción sintético vital.

Reactivos especiales a base de piridina

En 1975, William Suggs y James Corey desarrollaron clorocromato de piridinio. Se aplica para oxidar alcoholes secundarios a cetonas y alcoholes primarios a aldehídos. El clorocromato de piridinio se obtiene habitualmente cuando se agrega piridina a la solución de ácido clorhídrico concentrado y ácido crómico.

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

Con el cloruro de cromilo (CrO2Cl2) como cancerígeno, se debe buscar una ruta alternativa. Uno de ellos es usar cloruro de piridinio para tratar el óxido de cromo (VI).

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

El reactivo de Sarret (el complejo de óxido de cromo (VI) con heterociclo de piridina en piridina), clorocromato de piridinio (PCC), el reactivo de Cornforth (dicromato de piridinio, PDC) y el reactivo de Collins (el complejo de cromo (VI) se oxida con piridina heterociclo en diclorometano) son compuestos comparables de cromo-piridina. También se aplican para la oxidación, como la conversión de alcoholes primarios y secundarios en cetonas.

Los reactivos Sarret y Collins no solo son difíciles de preparar, sino que también son peligrosos. Son higroscópicos y son susceptibles de encenderse durante el proceso de preparación. En consecuencia, se recomendó el uso de PDC y PCC. Si bien los dos reactivos se utilizaron en gran medida en los 70 y 80, rara vez se utilizan actualmente debido a su toxicidad y carcinogenicidad confirmada.

La estructura del catalizador de Crabtree.

En la química de coordinación, la piridina se usa ampliamente como ligando. Es derivado, como su derivado 2,2'-bipiridina, que comprende moléculas de piridina 2 unidas por un enlace simple, y terpiridina, una molécula de anillos de piridina 3 conectados entre sí.

Se puede usar una base de Lewis más fuerte como reemplazo de un ligando de piridina que es parte de un complejo de metal. Esta característica se aprovecha en la catálisis de reacciones de polimerización e hidrogenación, utilizando, por ejemplo, el catalizador de Carabtree. La piridina Lingard que se sustituye durante la reacción se restablece después de su finalización.

Referencias

Nomenclatura de la química orgánica: Recomendaciones de la IUPAC y nombres preferidos 2013 (Libro azul). Cambridge: La Real Sociedad de Química. 2014. pag. 141.

Anderson, T. (1851). "Ueber die Producte der trocknen Destillation thierischer Materien" [Sobre los productos de la destilación en seco de materia animal]. Annalen der Chemie und Pharmacie. 80: 44.

Sherman, AR (2004). "Piridina". En Paquette, L. Enciclopedia de reactivos para síntesis orgánica. e-EROS (Enciclopedia de reactivos para síntesis orgánica). Nueva York: J. Wiley & Sons.

Behr, A. (2008). Angewandte homogene Katalyse. Weinheim: Wiley-VCH. pag. 722.