Hợp chất dị vòng 6 cạnh 1 dị tố, dị tố là nitơ hoặc oxi

Chơng 32
HợP CHấT Dị VòNG 6 CạNH 1 Dị Tố
Dị Tố Là NITơ HOặC OXY
Mục tiêu
1. Nêu đợc cấu tạo và tính chất thơm của dị vòng 6 cạnh.
2. Nêu đợc các hóa tính của pyridin.
1. Pyridin
1.1. Cấu tạo của pyridin
Pyridin tơng tự với benzen. Nhóm CH của benzen đợc thay thế bằng
nguyên tử nitơ. Cặp điện tử không liên kết của N chiếm một orbital sp
2
và thẳng
góc với hệ thống điện tử

của vòng. Hệ thống điện tử

của vòng đợc tạo thành
do 5 điện tử p của 5 nguyên tử carbon và 1 điện tử p của nitơ. Có thể minh họa
công thức của pyridin theo các công thức sau:
Cấu trúc orbital của pyridin
N
H
H
H
H
H
.
.
.
.
.

.
.
.
Caỏu truực orbitalcuỷa pyridin

N





6
5
4
3
1
2

N
.
.
.
.
.
.
..

N
..

N
0,849
o,947
0,822
o,947
0,849
..

N
..
sp
2
sp
2
sp
2
sp
2
sp
2

Khác với benzen mật độ điện tử trên các nguyên tử carbon của pyridin khác
nhau. Nguyên tử N có độ âm điện lớn hơn nên phân tử pyridin có sự phân cực.
Momen lỡng cực của pyridin là 2,5 D.Pyridin có các công thức giới hạn sau:




..
..

..
..
N
+
..
N N
+
..
..
..
+
N
N
N
0,849
0,947
0,822
0,947
0,849
..
Mật độ điện tử ở các vị trí 2, 4 và 6 nhỏ hơn so với các vị trí 3 và 5.

105
Đánh số và ký hiệu các nguyên tử trên vòng pyridin:

N


6
5
4
3
2
1
N
1.2. Tổng hợp vòng Pyridin
Pyridin có trong nhựa than đá (khoảng 0,1%). Khi chng cất nhựa than đá
có thể thu đợc hỗn hợp gồm pyridin, metylpyridin (picolin), dimetylpyridin
(lutidin) và trimetylpyridin (colidin). Vòng pyridin có thể đợc tổng hợp theo các
phơng pháp:
1.2.1. Ngng tụ hợp chất

,

-aldehyd cha no với amoniac
N
CH
3
- 2H
2
O
2 CH
2
=CH-CHO + NH
3

1.2.2. Ngng tụ

-cetoester với aldehyd và amoniac - Tổng hợp Hantzsch







N
R
R
R
N
COOH
HOOC
R
R
R
+ H
2
O
- 2C
2
H
5
OH
N

COOC
2
H
5
C
2
H
5
OOC
R
R
R
- 2[ H ]
N
COOC
2
H
5
H
C
2
H
5
OOC
HR
R
R
NH
3
R

CHO
C
C
2
H
5
OOC
R
O
C
COOC
2
H
5
R
O
+
- 3H
2
O
H
+
- 2CO
2

Với phơng pháp này có thể tổng hợp đợc các alkylpyridin.
1.3. Tính chất hóa học của pyridin
Pyridin có hệ thống liên hợp giống benzen nên thể hiện tính chất
hydrocarbon thơm.
Pyridin có tính base.

Pyridin là chất lỏng không màu, rất bền, sôi ở 115 - 116
O
C, có mùi hôi đặc trng.
1.3.1. Phản ứng thế ái điện tử
Pyridin tác dụng yếu với các tác nhân ái điện tử so với benzen.
ứng dụng độ bền của ion carbonium trung gian để giải thích sự định hớng
của tác nhân thế ái điện tử vào nhân pyridin:

106
Nếu tác nhân ái điện tử tấn công vào vị trí 4 hoặc vị trí 2 thì ion carbonium
là sự tổ hợp của 3 công thức I, II, III.
Nếu tác nhân ái điện tử tấn công vào vị trí 3 thì ion carbonium là sự tổ hợp
của các công thức IV, V, VI.
N
N
H
H
E
N
E
H
H
N
H
E
H
N
H
E
+

..
..
..
+
+
I
II
III
N
E
H
H
N
E
H
H
+
+
+
..
..
..
IV
V
VI
+ E
+
4
1
3

Tất cả trạng thái trên đều kém bền so với các trạng thái của benzen, vì
nguyên tử nitơ N hút điện tử về phía mình. Trong các trạng thái trên thì trạng
thái III kém bền nhất vì nguyên tử nitơ N chỉ có 6 điện tử. Phản ứng thế ái điện
tử xảy ra tại các vị trí 3 và 5 (vị trí

) là chủ yếu và phản ứng xảy ra chậm hơn
phản ứng của benzen.

Phản ứng nitro hóa trực tiếp bằng HNO
3
và H
2
SO
4

hoặc KNO
3
ở 300

C
thu đợc 3-nitropyridin với hiệu suất thấp (vài phần trăm).

Phản ứng sulfon hóa pyridin xảy ra với hỗn hợp H
2
SO
4
+ SO
3
(oleum 20%)

ở nhiệt độ 230

C trong 24 giờ thu đợc acid pyridin - 3-sulfonic với hiệu
suất khá cao.

Halogen hóa trực tiếp pyridin bằng clo, brom hoặc iod, ở 300

C thu đợc
hỗn hợp 3-halogenopyridin và 3,5-dihalogenopyridin.

Pyridin không xảy ra phản ứng alkyl hóa, acyl hóa theo Friedel -Craft.











Không xẩy ra phản ứng
+RX hoaởc RCOX , AlCl
3

+ H
2
O
N

HgOCOCH
3
N
SO
3
H
N
Br
N
NO
2
N
H
2
SO
4

+ KNO
3
300
o
C
H
2
SO
4

+ SO
3
230

o
C
Br
2
300
o
C
(CH
3
COO)
2
Hg
+ CH
3
COOH
+ H
2
O
+ HBr

107
1.3.2. Phản ứng thế ái nhân
Các tác nhân ái nhân tơng tác với pyridin tại các vị trí 2, 6 và 4 (vị trí

và

).
Đun nóng natri amidid với pyridin trong dung môi toluen thu đợc 2-
aminopyridin hoặc 2,6-diaminopyridin. Nếu vị trí 2, 6 đã có nhóm thế thì phản
ứng thế ái nhân xảy ra ở vị trí 4.

n-Butyllithium hoặc phenyllithium là những tác nhân ái nhân mạnh tác
dụng với pyridin thu đợc 2-n-butylpyridin hoặc 2-phenylpyridin.
N
N
NH
2
H
N
C
4
H
9
H
- NaH
NNH
2
NNHNa
+ H
2
Na
+
-
-
Li
+
N
C
4
H
9

- LiH
NaNH
2
C
4
H
9
Li
2-aminopyridin
2-butylpyridin
+ NaH



Các dẫn xuất của pyridin cũng dễ bị thay thế bởi các tác nhân ái nhân.



+ NH
3
+ HBr
2-Bromopyridin
180-200
o
C
NNH
2
NBr
N
Cl

+ CH
3
ONa
N
OCH
3
+ NaCl
4-Cloropyridin 4-metoxypyridin



Phản ứng thế ái điện tử và thế ái nhân vào pyridin rất giống phản ứng thế
của nitrobenzen. Tính chất của pyridin gần giống tính chất của nitrobenzen. Vị
trí 3 của nitrobenzen có tính ái điện tử, vị trí 2 và 4 có tính ái nhân tơng tự với
pyridin.
N
3
4
2
1
N
O
O
3
1
2
4
+
N
H

3
4
2
1

1.3.3. Phản ứng oxy hoá
Vòng pyridin không bị oxy hoá bởi dung dịch brom và dung dịch KMnO
4
loãng.
Gốc hydrocarbon gắn trên khung pyridin dễ bị oxy hóa tạo acid.

108



-Picolin

2-Methylpyridin
Acid Pic

oli
bo
c
Pyridin-2-Car xylic
CH
3
N
N
COOH
3[ O ]

+ H
2
O




-Picolin

3-Methylpyridin
Acid Nicotinic
Pyridin-3-Carboxylic
CH
3
N
N
COOH
3[ O ]
+ H
2
O




CH
3
N
N
COOH

3[ O ]
+ H
2
O
-Picolin

4-Methylpyridin
Acid Izonicotinic
Pyridin-4-Carboxylic
1.3.4. Phản ứng khử
Phản ứng hydro hóa có xúc tác
N
+ 3H
2
Pt
N
H
..
piperidin
K
b
= 2,3 . 10
-9
K
b
= 2 . 10
-3

Có thể khử hoá pyridin bằng hỗn hợp alcol và natri

C
2
H
5
OH + Na
C
2
H
5
OH + Na
N
H
N
H
N
H
..
..
C
2
H
5
OH + Na
1,4-Dihydropyridin 1,2,3,4-Tetrahydropyridin piperidin
pyridin
..
N

Pyridin bị khử bởi lithium nhôm hydrid LiAlH
4

tạo 1,2-dihydropyridin
N
N
H
..
1,2-dihydropyridin
+ LiAlH
4

1.3.5. Tính base của pyridin
Pyridin là một base yếu ( K
b
= 2,3.10
-9
).
Pyridin cũng nh các alkylpyridin tạo muối với các acid mạnh. Tính base
của một số dẫn xuất của pyridin đợc trình bày trong bảng sau:


109
Nhóm thế H 2-NH
2
3-NH
2
4-NH
2
2-OCH

3
4-OCH
3
4-NO
2
2-CN 4-CN
pKa 5,23 6,86 5,98 9,17 3,28 6,62 1,61 -0,26 1,90

Nhóm thế ở vị trí 4 làm tăng tính base trên nitơ N của pyridin.
4-Dimethylaminopyridin bị proton hóa vào nguyên tử N của pyridin và
cation đợc ổn định hơn.





N
N
CH
3
CH
3
N
N
CH
3
CH
3
H
N

N
CH
3
CH
3
H
H
+
+
+
4- Dimethylaminopyridin 4- Dimethylaminopyridin bị proton hóa
Trạng thái ổn định
4-Dimetylaminopyridin là một base đợc sử dụng nh là một xúc tác trong
các phản ứng có cấu trúc lập thể.
Pyridin tạo muối tan trong nớc với các acid mạnh.
N
Clohydratpyridin
;
+
Cl
-
+ HCl
N
H

N
N
H
2
2

+
SO
4
2

-
+ H
2
SO
4
Sul
fat pyridin

Pyridin nh là một amin bậc ba có khả năng tạo muối alkylhalogenid bậc 4.




- N-methylpyridini iodid
- Methylatpyridin iodid
N
+ CH
3
I
I
-
+
N
CH
3

Các muối alkyl halogenid của pyridin trong dung dịch base có cân bằng tạo
sản phẩm dễ bị oxy hóa bởi kaliferocyanid K
3
Fe(CN)
6
tạo 1-alkyl-2-pyridon.
N
R
+
X
-
HO
-
N
R
H
OH
K
3
Fe(CN)
6
N
C
R
O
1-alkyl-2-pyridon

Nguyên tử N trong pyridin có khả năng tạo liên kết oxyd N

O

N
+ RCOOH
+ RCOOOH
N
O


110