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Tout ce que vous devez savoir sur les pyridines

Tout ce que vous devez savoir sur les pyridines

Tout ce que vous devez savoir sur Pyridines

La pyridine est la base hétérocyclique composé du genre azine. La pyridine est dérivée du benzène par remplacement du groupe CH par l'atome d'azote. La structure de la pyridine est analogue à celle du benzène, car elle est liée au remplacement du groupe CH par N. Les principales différences sont les suivantes:

  1. Écart d'une géométrie hexagonale régulière parfaite due à la présence d'un hétéroatome, pour être spécifique, les liaisons azote-carbone plus courtes,
  2. Remplacement d'un atome d'hydrogène dans le plan de l'anneau par la paire d'électrons non partagée, comme dans le plan de l'anneau, située dans l'orbitale hybride sp2, et non impliquée dans un sextet d'électrons p aromatiques. Cette paire d'azote seule responsable des propriétés de base des pyridines,
  3. Le dipôle permanent fort traçable à une électronégativité supérieure de l'atome d'azote par rapport à un atome de carbone.

Le cycle pyridine apparaît dans plusieurs composés essentiels, notamment les vitamines niacine, pyridoxine, ainsi que les azines.

Un chimiste écossais, Thomas Anderson, a inventé la pyridine dans 1849 comme l’un des composés constituant l’huile osseuse. Après deux ans, Anderson a dérivé de la pyridine pure par distillation fractionnée d'huile d'os. Il s'agit d'un liquide faiblement alcalin, hautement inflammable, incolore, soluble dans l'eau et doté d'une odeur distincte et désagréable de poisson.

La pyridine est toujours utilisée comme précurseur des produits pharmaceutiques et agrochimiques et constitue également un réactif et un solvant essentiel. La pyridine peut être ajoutée à l'éthanol si vous souhaitez la rendre impropre à la consommation humaine. Il est également applicable à la production de médicaments antihistaminiques mépyramine et tripélennamine.in vitro synthèse d'ADN, dans la production de sulfapyridine (médicament pour le traitement des infections virales et bactériennes), ainsi que de bactéricides, d'herbicides et d'hydrofuges.

La plupart des composés chimiques, même s'ils ne sont pas produits à partir de pyridine, ont une structure cyclique. Ces composés comprennent les vitamines B telles que la pyridoxine et la niacine, la nicotine, les produits végétaux contenant de l'azote et le médicament antituberculeux connu sous le nom d'isoniazide. La pyridine était traditionnellement produite en tant que sous-produit de la gazéification du charbon et du goudron de houille. Cependant, la demande croissante en pyridine a conduit à la mise au point de méthodes de production économiques à partir d'ammoniac et d'acétaldéhyde, et plus de 20,000 sont produites chaque année dans le monde.

Nomenclature de pyridine

Le nom systématique de pyridine, selon la nomenclature de Hantzsch – Widman proposée par l’UICPA, est azine. Mais les noms systématiques des composés de base sont rarement utilisés; à la place, la nomenclature des hétérocycles suit des noms communs établis. L’IUPAC n’encourage pas l’utilisation de azine en se référant à pyridine.

La numérotation des atomes du cycle dans l'azine commence au niveau de l'azote. Une répartition des positions entre la lettre de l’alphabet grec (α-γ) et le schéma de substitution de la nomenclature typique des systèmes homoaromatiques (para ortho, objectif,) sont utilisés parfois. Ici, α, β et γ se réfèrent respectivement aux deux, trois et quatre positions.

Nom systématique pour les dérivés de pyridine est pyridinyle, où un nombre précède la position de l'atome substitué est précédé d'un nombre. Mais le nom historique pyridyle est recommandé par l'UICPA et largement utilisé à la place du nom systématique. Le dérivé formé par l’addition d’un électrophile à l’atome d’azote est connu sous le nom de pyridinium.

4-bromopyridine

2,2'-bipyridine

Acide dipicolinique (acide pyridine-2,6-dicarboxylique)

La forme basique du cation pyridinium

Production de pyridine

La pyridine a été obtenue en tant que sous-produit de la gazéification du charbon ou extraite du goudron de houille. Cette méthode était inefficace et prenait beaucoup de travail: le goudron de houille contient environ 0.1 pour cent de pyridine et une purification en plusieurs étapes était donc nécessaire, ce qui réduisait encore davantage le rendement. Aujourd'hui, la plupart de la pyridine est fabriquée synthétiquement en utilisant plusieurs réactions nommées, et les plus courantes sont discutées ci-dessous.

Synthèse de la pyridine à travers Bohlmann-Rahtz

La synthèse de la pyridine par Bohlmann-Rahtz permet de générer des pyridines substituées en deux étapes principales. La condensation des énamines à l'aide d'éthynylcétones donne un intermédiaire aminodiène qui, après isomérisation induite par la chaleur, subit une cyclodéshydratation pour produire des pyridines trisubstituées par 2,3,6.

Synthèse de pyridine par un mécanisme de Bohlmann-Rahtz

Le mécanisme est lié à la populaire synthèse Hantzsch Dihydropyridine oùsur placeLes espèces d'énamine et d'énone générées génèrent des dihydropyridines. Bien que la synthèse Bohlmann-Rahtz soit extrêmement polyvalente, la purification des températures intermédiaires et incroyablement élevées nécessaires à la cyclodéshydratation est un défi qui a limité son utilité. La plupart des défis ont été surmontés, rendant la synthèse Bohlmann-Rahtz plus essentielle dans le pyridines génération.

Bien qu'aucune recherche mécanistique n'ait été effectuée, les intermédiaires peuvent être caractérisés par RMN-H. Cela montre que le principal produit de la première addition Michael et du transfert de proton suivant peut être un 2.Z-4E-heptadien-6-one extrait et purifié par chromatographie sur colonne.

Des températures de cyclodéshydratation incroyablement élevées sont donc nécessaires pour faciliter Z/E les isomérisations qui sont une condition préalable à l'hétéroannélisation.

Plusieurs méthodes permettant la synthèse de pyridines tétra et trisubstituées en un seul procédé ont été développées récemment. Au lieu d'utiliser la butynone comme substrat, Bagley a testé divers solvants pour la conversion de 4- (triméthylsilyl) mais-3-yn-2-one moins volatils et moins coûteux. Il a été démontré que seuls le DMSO et l'EtOH sont des solvants idéaux. EtOH est clairement préféré comme solvant polaire et protique par rapport au DMSO en tant que solvant aprotique polaire. Dans les deux solvants, la protodésilylation a eu lieu spontanément. Bagley a également démontré que la catalyse acide permet à la cyclodéshydratation de se poursuivre à une température inférieure.

La catalyse acide renforce également l'addition du conjugué. Une large gamme d'énamines a été mise à réagir avec des éthynylcétones dans le mélange (5: 1) d'acide acétique et de toluène pour donner des pyridines fonctionnalisées en une étape avec d'excellents rendements.

Après le succès de la catalyse acide de Brønstedt, le chimiste a étudié l’aptitude des catalyseurs acides de Lewis. Conditions optimales Utiliser du triflate de ytterbium à vingt mol% ou du bromure de zinc à quinze mol% dans le toluène au reflux. Même si les recherches mécanistes n’ont pas été effectuées, on peut supposer que la coordination par le catalyseur accélère les étapes de cyclodéshydratation, d’addition de Michael et d’isomérisation.

L'inconvénient est la compatibilité limitée avec les substrats sensibles à l'acide. Par exemple, la décomposition des énamines par catalyse acide a lieu avec cyano et tert-ester butylique en tant que groupes électro-attracteurs. L’utilisation du réactif échangeur d’ions Amberlyst-15, qui tolère bien tert-esters de butyle.

Comme les énamines ne sont pas facilement disponibles, et pour améliorer la facilité du processus, une réaction du composant 3 a été entreprise en utilisant de l'acétate d'ammonium comme source du groupe amino. Dans cette procédure efficace, enamine est générée sur place qui réagit avec l'alcynone présent.

Dans le premier essai, ZnBr2 et AcOH ont été appliqués en tant que catalyseurs supplémentaires avec du toluène en tant que solvant. Cependant, il a depuis été démontré que les substrats sensibles aux acides réagissaient toujours dans un environnement doux avec EtOH en tant que solvant.

Chichibabin Synthèse

La synthèse de la Chichibabine pyridine a été rapportée pour la première fois dans 1924 et reste une application majeure dans l’industrie chimique. Il s'agit d'une réaction de formation de cycle qui implique la réaction de condensation d'aldéhydes, de cétones et de composés carbonylés α, β insaturés. De plus, la forme globale de la réaction peut inclure n'importe quelle combinaison des produits ci-dessus dans de l'ammoniac pur ou ses dérivés.

Formation de Pyridine

Condensation de formaldéhyde et d'acétaldéhyde

Le formaldéhyde et l'acétaldéhyde sont principalement des sources de pyridine non substituée. Au moins, ils sont abordables et assez accessibles.

  1. La première étape implique la formation d'acroléine à partir du formaldéhyde et de l'acétaldéhyde par condensation de Knoevenagel.
  2. Le produit final est ensuite condensé à partir d'acroléine avec de l'acétaldéhyde et de l'ammoniac, formant de la dihydropyridine.
  3. Le processus final est une réaction d'oxydation avec un catalyseur à l'état solide pour donner de la pyridine.
  4. La réaction ci-dessus est effectuée dans une phase gazeuse avec une plage de température de 400-450 ° C. Le composé formé est constitué de pyridine, de picoline ou de pyridines méthylées simples et de lutidine. Cependant, la composition est soumise au catalyseur utilisé et, dans une certaine mesure, elle varie avec les exigences du fabricant. Typiquement, le catalyseur est un sel de métal de transition. Les plus communs sont le fluorure de manganèse (II) ou le fluorure de cadmium (II), bien que les composés de thallium et de cobalt puissent être des alternatives.
  5. La pyridine est récupérée des sous-produits dans un procédé en plusieurs étapes. La principale limitation de la synthèse de la pyridine de la pyrichabine est son faible rendement, ce qui correspond à environ 20% des produits finis. Pour cette raison, les formes non modifiées de ce composé sont moins répandues.

Bönnemann cyclisation

La cyclisation de Bönnemann est la formation d'un trimère à partir de la combinaison de deux parties de la molécule d'acétylène et d'une partie d'un nitrile. En fait, le processus est une modification de la synthèse de Reppe.

Le mécanisme est facilité par la chaleur provenant de températures et de pressions élevées ou par la cycloaddition photo-induite. Lorsqu'elle est activée par la lumière, la cyclisation de Bönnemann nécessite CoCp2 (cyclopentadiényle, 1,5-cyclooctadiène) agissant en tant que catalyseur.

Cette méthode peut produire une chaîne de dérivés pyridiques en fonction des composés utilisés. Par exemple, l'acétonitrile donnera 2-méthylpyridine, qui peut subir une désalkylation pour former de la pyridine.

Autres méthodes

La synthèse de Kröhnke pyridine

Cette méthode utilise la pyridine comme réactif, bien qu’elle ne soit pas incluse dans le produit final. Au contraire, la réaction générera des pyridines substituées.

Lorsqu'elle réagit avec les a-bromoesters, la pyridine subira une réaction de type Michael avec les carbonyles insaturés pour former le bromure de pyridine et de pyridium substitué. La réaction est traitée avec de l'acétate d'ammoniac dans des conditions douces de 20-100 ° C.

Réarrangement Ciamician – Dennstedt

Cela implique une expansion du cycle du pyrrole avec du dichlorocarbène formant 3-chloropyridine.

Synthèse Gattermann – Skita

Dans cette réaction, le sel d'ester de malonate réagit avec la dichlorométhylamine en présence d'une base.

Synthèse de pyridine de Boger

Réactions de pyridines

Les réactions suivantes peuvent être prédites pour les pyridines à partir de leur structure électronique:

  1. L'hétéroatome rend les pyridines peu réactives aux réactions de substitution aromatiques électrophiles normales. Inversement, les pyridines sont sensibles aux attaques nucléophiles. Les pyridines subissent des réactions de substitution électrophile (SEAr) avec plus de réticence mais une substitution nucléophile (SNAr) plus facilement que le benzène.
  2. Les réactifs électrophiles attaquent de préférence au niveau des atomes de Natom et bC, tandis que les réactifs nucléophiles préfèrent les atomes a et cC.

Addition électrophile à l'azote

Dans les réactions qui impliquent une formation de liaison utilisant la seule paire d'électrons sur l'azote du cycle, telles que la protonation et la quaternisation, les pyridines se comportent exactement comme les amines tertiaires aliphatiques ou aromatiques.

Lorsqu'une pyridine réagit comme une base ou un nucléophile, elle forme un cation pyridinium dans lequel le sextet aromatique est conservé et l'azote acquiert une charge positive formelle.

Protonation à l'azote

Les pyridines forment des sels cristallins, souvent hygroscopiques, avec la plupart des acides protiques.

Nitration à l'azote

Cela se produit facilement par réaction de pyridines avec des sels de nitronium, tels que le tétrafluoroborate de nitronium. Les agents nitrant protiques tels que l'acide nitrique conduisent naturellement exclusivement à la N-protonation.

Acylation à l'azote

Les chlorures d'acide et les acides arylsulfoniques réagissent rapidement avec les pyridines générant des sels de 1-acyl- et 1-arylsulfonylpyridinium en solution.

Les halogénures d'alkyle et les sulfates réagissent facilement avec les pyridines en donnant des sels de pyridinium quaternaires.

Substitutions Nucléophiles

Contrairement au benzène, de nombreuses substitutions nucléophiles peuvent être efficacement et efficacement maintenues par la pyridine. C'est parce que l'anneau a une densité électronique des atomes de carbone légèrement inférieure. Ces réactions comprennent des remplacements avec l'élimination d'un ion hydrure et des ajouts d'élimination pour obtenir une configuration aryne intermédiaire et se poursuivent habituellement jusqu'à la position 2 ou 4.

La pyridine seule ne peut entraîner la formation de plusieurs substitutions nucléophiles. Cependant, la modification de la pyridine avec le brome, les fragments d'acide sulfonique, le chlore et le fluor peut donner lieu à un groupe partant. La formation de composés organolithiens peut être récupérée à partir du meilleur groupe de fluorure sortant. À haute pression, les nucléophiles peuvent réagir avec les alcoolates, les thiolates, les amines et les composés ammoniacaux.

Peu hétérocyclique des réactions peuvent se produire en raison de l'utilisation d'un groupe partant pauvre tel que l'ion hydrure. Les dérivés de pyridine en position 2 peuvent être obtenus par réaction de Chichibabin. 2-aminopyridine peut se poursuivre lorsque l'amide sodique est utilisé comme nucléophile. La molécule d'hydrogène est formée lorsque les protons du groupe amino se combinent avec l'ion hydrure.

Similaire au benzène, pyridines des intermédiaires tels que hétéroaryne peuvent être obtenus par substitution nucléophile à pyridine. L'utilisation d'alcalins forts tels que le tert-butoxyde de sodium et de potassium peut aider à se débarrasser des dérivés de pyridine lors de l'utilisation du groupe partant droit. Suite à l’introduction du nucléophile dans la triple liaison, il diminue la sélectivité et conduit à la formation d’un mélange contenant deux adduits possibles.

Substitutions électrophiles

Plusieurs substitutions électrophiles de pyridine peuvent se poursuivre jusqu'à un certain point ou ne se poursuivent pas complètement. D'autre part, l'élément hétéroaromatique peut être stimulé par la fonctionnalisation du don d'électrons. L'alkylation (acylation) de Friedel-Crafts est un exemple d'alkylations et d'acylations. L'aspect ne parvient pas à subir la pyridine car il se traduit par l'addition d'un atome d'azote. Les substitutions se produisent principalement à la position trois qui est l'un des atomes de carbone riches en électrons situés dans l'anneau, ce qui la rend susceptible à une addition électrophile.

Structure de N-oxyde de pyridine

Les substitutions électrophiles peuvent entraîner un changement de position de la pyridine à la position 2 ou 4 en raison de la réaction vigoureuse complexe σ défavorable. Cependant, des méthodes expérimentales peuvent être utilisées lors de la substitution électrophile sur le N-oxyde de pyridine. Il est ensuite suivi par la désoxygénation des atomes d'azote. Par conséquent, on sait que l'introduction d'oxygène réduit la densité sur l'azote et améliore la substitution aux positions 2 et 4.

Les composés de soufre divalent ou de phosphore trivalent sont connus pour être facilement oxydés, donc principalement utilisés pour éliminer les atomes d'oxygène. L'oxyde de triphénylphosphine est un composé formé après oxydation du réactif triphénylphosphine. C'est un autre réactif qui peut être utilisé pour se débarrasser d'un atome d'oxygène d'un autre élément. Les informations ci-dessous décrivent comment la substitution électrophile ordinaire réagit avec la pyridine.

La nitration directe de la pyridine exige certaines conditions difficiles et présente généralement de faibles rendements. La réaction du pentoxyde de diazote avec la pyridine en présence de sodium peut entraîner la formation de 3-nitropyridine. Les dérivés de la pyridine peuvent être obtenus par nitration du tétrafluoroborate de nitronium (NO2BF4) en prélevant l'atome d'azote de manière stérique et électronique. La synthèse de deux composés de 6-dibromo pyridine peut entraîner la formation de 3-nitropyridine après élimination des atomes de brome.

La nitration directe est considérée comme plus confortable que la sulfonation directe de la pyridine. L'ébullition de la pyridine à 320 ° C peut produire de l'acide pyridine-3-sulfonique plus rapidement que l'acide sulfurique en ébullition aux mêmes températures. L'addition de l'élément soufré à l'atome d'azote peut être obtenue en faisant réagir le groupe SO3 en présence de sulfate de mercure (II) qui joue le rôle de catalyseur.

La chloration directe et la bromation peuvent se poursuivre contrairement à la nitration et à la sulfonation. 3-bromopyridine peut être obtenu par réaction du brome moléculaire dans l'acide sulfurique à 130 ° C avec la pyridine. Après la chloration, le résultat de 3-chloropyridine peut être faible en présence de chlorure d'aluminium qui agit comme catalyseur à 100 ° C. La réaction directe d'halogène et de palladium (II) peut entraîner à la fois la bromopyridine et la 2-chloropyridine.

Applications de la pyridine

La pyridine est l’une des matières premières essentielles aux usines chimiques. Dans 1989, la production totale de pyridine dans le monde était de 26K tonnes. À partir de 1999, 11 sur les plus grands sites de production de pyridine de 25 était situé en Europe. Les principaux producteurs de pyridine étaient Koei Chemical, Imperial Chemical Industries et Evonik Industries.

Dans les premiers 2000, la production de pyridine a fortement augmenté. Par exemple, la Chine continentale à elle seule a atteint une capacité de production annuelle de tonnes 30,000. Aujourd'hui, la joint-venture entre les États-Unis et la Chine se traduit par la production de pyridine la plus élevée au monde.

Pesticides

La pyridine est principalement utilisée comme précurseur de deux herbicides diquat et paraquat. Dans la préparation de fongicides à base de pyrithione, la pyridine est utilisée comme composé basique.

La réaction entre le zinc et la pyridine entraîne la production de deux composés: le laurylpyridinium et le cétylpyridinium. En raison de leurs propriétés antiseptiques, les deux composés sont ajoutés aux produits de soins dentaires et oraux.

Une attaque par un agent d'alkylation en pyridine conduit à des sels de N-alkylpyridinium, le chlorure de cétylpyridinium étant un exemple.

Synthèse du paraquat

Solvant

Une autre application dans laquelle la pyridine est utilisée est celle des condensations de Knoevenagel, où elle est utilisée comme solvant basique, polaire et basique. La pyridine est particulièrement idéale pour la déshalogénation, où elle sert de base à la réaction d'élimination tout en liant l'halogénure d'hydrogène résultant pour former un sel de pyridinium.

Dans les acylations et estérifications, la pyridine active les anhydrides ou les halogénures d'acide carboxylique. 4- (1-pyrrolidinyl) pyridine et 4-diméthylaminopyridine (DMAP), qui sont des dérivés de pyridine, sont encore plus actifs dans ces réactions. Dans les réactions de condensation, la pyridine est généralement utilisée comme base.

Formation de pyridinium par réaction d'élimination avec la pyridine

La pyridine est également une matière première importante dans l'industrie textile. En plus d'être utilisé comme solvant dans la production de caoutchouc et de colorants, il est également utilisé pour améliorer la capacité de réseau du coton.

La Food and Drug Administration des États-Unis approuve l'addition de petites quantités de pyridine aux aliments afin de leur donner une saveur amère.

En solution, le seuil de détection de la pyridine est voisin de 1 – 3 mmol·L-1 (79 – 237 mg · L-1). En tant que base, la pyridine peut être utilisée comme réactif Karl Fischer. Cependant, l'imidazole est généralement utilisé comme substitut de la pyridine, car il (l'imidazole) a une odeur agréable.

Précurseur à la pipéridine

Une hydrogénation de pyridine avec un catalyseur à base de ruthénium, de cobalt ou de nickel à des températures élevées conduit à la production de pipéridine. C'est un hétérocycle azoté essentiel qui est un élément essentiel de synthèse.

Réactifs de spécialité à base de pyridine

Dans 1975, William Suggs et James Corey ont mis au point du chlorochromate de pyridinium. Il est appliqué pour oxyder les alcools secondaires en cétones et alcools primaires en aldéhydes. Le chlorochromate de pyridinium est habituellement obtenu lorsque de la pyridine est ajoutée à la solution d'acide chlorhydrique et chromique concentré.

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

Avec le chlorure de chromyle (CrO2Cl2) carcinogène, une voie alternative devait être recherchée. L'un d'eux consiste à utiliser du chlorure de pyridinium pour traiter l'oxyde de chrome (VI).

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

Le réactif Sarret (le complexe d’oxyde de chrome (VI) avec un hétérocycle pyridine dans la pyridine), le chlorochromate de pyridinium (PCC), le réactif Cornforth (dichromate de pyridinium, PDC) et le réactif de Collins (complexe d’oxyde de chrome (VI) avec de la pyridine hétérocycle dans le dichlorométhane) sont des composés comparables du chrome-pyridine. Ils sont également appliqués pour l'oxydation, telle que la conversion d'alcools secondaires et primaires en cétones.

Les réactifs Sarret et Collins sont non seulement difficiles à préparer, mais ils sont également dangereux. Ils sont hygroscopiques et sont susceptibles de s'enflammer pendant le processus de préparation. Par conséquent, l'utilisation de PDC et de PCC a été recommandée. Bien que les deux réactifs aient été largement utilisés dans les 70 et 80, ils sont rarement utilisés actuellement en raison de leur toxicité et de leur cancérogénicité confirmée.

La structure du catalyseur de Crabtree

En chimie de coordination, la pyridine est largement utilisée comme ligand. C'est son dérivé, tout comme son dérivé 2,2'-bipyridine, composé de molécules de pyridine 2 liées par une simple liaison, et la terpyridine, une molécule de cycles pyridine 3 reliés entre eux.

Une base de Lewis plus forte peut être utilisée en remplacement d'un ligand pyridine faisant partie d'un complexe métallique. Cette caractéristique est exploitée dans la catalyse des réactions de polymérisation et d'hydrogénation, en utilisant, par exemple, le catalyseur de Carabtree. La pyridine Lingard qui est substituée pendant la réaction est rétablie après son achèvement.

Les références

Nomenclature de la chimie organique: Recommandations et noms préférés IUPAC 2013 (Livre Bleu). Cambridge: La Société royale de chimie. 2014. p. 141.

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