Реакції відновлення і окиснення.

1. Відновлення. Піридиновий цикл відновлюється легше бензоль­ного. В залежності від природи відновника та умов гідрування утворюються різні продукти. Так, при відновленні піридину воднем у момент виділення (металічний натрій в етанолі) або воднем над платиновим, паладієвим або родієвим каталізатором утворюється піперидин. За досить жорстких умов, наприклад, при високотем­пературному каталітичному гідруванні, відбувається відновне розщеплення піридинового кільця по зв'язку С—N з утворенням пентанаміну-1.

2. Окиснення.Піридинове кільце стійке до дії окисників. Алкілпіридини, подібно алкілбензолам, окислюються достатньо легко, утворюючи відповідні піридинкарбонові кислоти.

Під дією пероксикислот піридиновий цикл окиснюється по атому азоту з утворенням N-оксидів.

N-оксиди піридину та його похідних доволі легко відновлюються до вихідних піридинів. Як відновні агенти найчастіше використову­ють галогеніди фосфору (III):

N-оксид піридину, на відміну від піридину, активніший в реакціях електрофільного заміщення. Це зумовлене деяким електронодонорним ефектом атома кисню. В результаті зміщення електронної густи­ни від атома кисню в кільце, на атомах вуглецю в α- та γ-положеннях молекули N-оксиду піридину електронна густина підвищена у порів­нянні з піридином.

Так, N-оксид піридину вступає в реакцію нітрування набагато легше, ніж піридин. При нітруванні азотною кислотою або нітратом калію в сірчаній кислоті з високим виходом утворюється N-оксид 4-нітропіридину.

Оскільки заміщений N-оксид може бути відновлений у відповідний піридин, цю реакцію застосовують для добування γ-заміщених піридину

Алкілування і аццлювання N-оксидів проходить по атому кисню зутворенням солей N-алкокси- та N-ацилоксипіридинію відповідно:

Реакції N-оксидів піридину з нуклеофільними реагентами прохо­дять аналогічно піридину, тобто переважно у положенні 2.

 

Г. Найважливіші похідні піридину

Піколіни.Піколінами називають монометильні похідні піридину. Розрізняють α-піколін (2-метилпіридин), β-піколін (3-метилпіридин) та γ-піколін (4-метилпіридин).

Піколіни є безбарвними рідинами (т. кип.: α-піколіну 129,5 °С; β-піколіну 144 °С; γ-піколіну 145,4 °С), з неприємним піридиноподібним запахом, добре розчинні у воді та органічних розчинниках.

Хімічні властивості піколінів та піридину схожі. Як і піридин, метилпіридини утворюють солі з силь­ними кислотами і алкілгалогенідами, окиснюються пероксикислотами до N-оксидів, відновлюються вод­нем у присутності Pt або Pd з утворенням похідних піперидину. Під дією КМnО₄, HNО₃ або кисню по­вітря в присутності V₂О₅ α-, β- та γ-піколіни окисню­ються відповідно до піколінової, нікотинової та ізонікотинової кислот (див. с. 75).

Через електроноакцепторний вплив гетероатома в молекулах α-та γ-піколінів атоми водню метильних груп виявляють підвищену рухливість, тому що аніони, які утворюються в процесі депротонування, стабілізуються шляхом делокалізації негативного заряду по спряженій системі, котра включає гетероатом:

Тому α- та γ-піколіни, на відміну від β-піколіну, вступають у ре­акцію конденсації з альдегідами та кетонами, при дії аміду натрію (NaNH₂) або феніллітію (C₆H₅Li) утворюють металоорганічні сполуки взаємодією котрих з алкілгалогенідами добувають гомологи піри­дину.

Піколіни використовують в органічному синтезі. α-Піколін засто­совують у виробництві пестицидів, β- і γ-піколіни для добування нікотинової та ізонікотинової кислот відповідно (див. с. 75).

Гідроксипіридини (оксипіридини, піридиноли).Взалежності від поло­ження гідроксигрупи в піридиновому циклі розрізняють:

α-гідроксипіридин (2-гідроксипіридин, піридинол-2),

β-гідроксипіридин (3-гідроксипіридин, піридинол-3),

γ-гідроксипіридин (4-гідроксипіридин, піридинол-4). Гідроксипіридини є безбарвними кристалічними речовинами (т. пл.: 2-гідроксипіридину 107 °С, 3-гідроксипіридину 130 °С, 4-гідроксипіридину 151 °С), легко розчинними в етанолі, ацетоні, помірно у воді, обмежено — в діетиловому ефірі та бензолі.

α- та γ-Гідроксипіридини є таутомерними сполу­ками. Вони існують у двох таутомерних формах – гідрокси- та оксоформі. У водному розчині ці сполу­ки перебувають здебільшого в оксо-, або так званій піридоновій, формі, в неполярних розчинниках і в газовій фазі переважає гідроксиформа.

β-Гідроксипіридин у водному розчині існує в нейтральній та біпо­лярній формах, які знаходяться у співвідношенні 1:1.

Гідроксипіридини є біфункціональними сполуками. По гетеро­атому вони виявляють властивості піридину, по гідроксигрупі — властивості фенолу. Фенольний характер найбільш виявлений у 3-гідроксипіридину, гідроксильна група котрого не спряжена з гетероато­мом. Так, усі гідроксипіридини утворюють з водним розчином FeCl₃ типове для фенолів пурпурне забарвлення (у 2- та 4-гідроксипіридинів колір менш інтенсивний, ніж у 3-гідроксипіридину). Реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування, бромування) у 2- та 4-гідроксипіридинах проходять у положеннях 3 та 5, які є β-положеннями піридинового циклу та орто-, пара-положеннями відносно гідроксигрупи.

3-Гідроксипіридин вступає в аналогічні реакції S_E в положенні 2:

З алкілгалогенідами 2- та 4-гідроксипіридини утворюють N-алкілпіридони, а 3-гідроксипіридин дає солі N-алкілпіридинію:

Багато які похідні гідроксипіридинів застосовуються в медицині. Представником цієї групи сполук є піридоксин[3-гідрокси-4,5-ди(гідроксиметил)-2-метилпіридин] (вітамін В₆).

Вітамін В₆ міститься в неочищених зернах злаків, у овочах, м'ясі, рибі, молоці, яєчному жовтку та ін. Він виконує важливу роль в обміні речовин. В організмі піридоксин пере­творюється на піридоксаль-5-фосфат, який з деякими білками утворює піридоксалеві фер­менти, що здійснюють декарбоксилування та переамінування аміно­кислот. Застосовується піридоксин у вигляді солі з хлороводневою кислотою при В₆-гіповітамінозі, токсикозах, анеміях, лейкопеніях і захворюваннях нервової системи.

Амінопіридини.В залежності від положення аміногрупи в піридино­вому циклі розрізняють:

α-амінопіридин (2-амінопіридин, піридинамін-2), β-амінопіридин (3-амінопіридин, піридинамін-3) та γ-амінопіридин (4-амінопіридин, піридинамін-4).

Амінопіридини — безбарвні кристалічні речови­ни (т. пл.: α-амінопіридину 58 °С, β-амінопіридину 64 °С, γ-амінопіридину 159 °С), легко розчинні у воді, етанолі, діетиловому ефірі та інших органічних розчинниках.

Амінопіридини - сильніші основи, ніж піридин і анілін. Вони містять у своєму складі два основні цен­три — атом азоту піридинового циклу і атом азоту аміногрупи. Разом з тим α- та γ-амінопіридини утво­рюють солі тільки з одним еквівалентом мінеральної кислоти (по гетероатому).

Це зумовлене тим, що в молекулах α- та γ-амінопіридинів аміногрупа перебуває у спряженні з гетероатомом і значною мірою втрачає основні властивості, беручи участь у делокалізації позитивного заряду катіона піридинію, що утворюється.

В молекулі β-амінопіридину аміногрупа не спряжена з гетероато­мом, тому солеутворення проходить по двох основних центрах

α- та γ-Амінопіридини є таутомерними речовинами. Вони існують у двох таутомерних формах: амінній та імінній. Стійкішою є аміно-форма.

Реакційна здатність амінопіридинів залежить від положення аміногрупи в піридиновому кільці. 3-Амінопіридин виявляє власти­вості, характерні для ароматичних амінів. За участю аміногрупи він вступає в реакції алкілування, ацилювання і діазотування. 2- та 4-Амінопіридини за звичайних умов солей діазонію не утворюють, з галогеналканами реагують по атому азоту піридинового циклу.

У піридиновому кільці амінопіридинів проходять реакції електрофільного заміщення — сульфування, галогенування та нітрування. α-Амінопіридин у реакціях S_E утворює продукти заміщення переваж­но у положенні 5, β-амінопіридин — у положенні 2, γ-амінопіридин – у положенні 3.

Як бачимо, електрофільне заміщення проходить в орто- або пара-положеннях відносно аміногрупи.

Амінопіридини застосовуються в синтезі лікарських засобів.

Піридинкарбонові кислоти.В залежності від положення карбоксиль­ної групи в піридиновому циклі розрізняють α-, β-та γ-піридинкарбонові кислоти. α-Піридинкарбонову кислоту (2-піридинкарбонову кислоту) часті­ше називають нікеліновою кислотою, β-пірідинкарбонову (3-піридинкарбонову) — нікотиновою, γ-піридинкарбонову (4-піридинкарбонову) ізонікотиновою.

Піридинкарбонові кислоти являють собою безбарвні кристалічні речовини (т. пл.: піколінової кислоти 136-137 °С, нікотинової кислоти 236-237 °С, ізонікотинової кислоти 323-325 °С).

Піридинкарбонові кислоти є біфункціональними сполуками. По карбоксильній групі вони утворюють солі, галогенангідриди, складні ефіри, аміди, гідразиди та інші функціональні похідні. У піридиновому кільці відбуваються реакції, властиві піридину. Через наявність у структурі молекул кислотного і основного центрів, піридинкарбонові кислоти є амфо­терними речовинами.

У кристалічному стані та частково в розчинах вони існують у формі внутрішньої солі — цвіттер-іона.

При нагріванні піридинкарбонові кислоти декарбоксилюються. α-Кислоти відщеплюють СО₂ доволі легко, β- та γ-кислоти розкладаються на піридин і СО₂ при нагріванні з лугом.

Через електроноакцепторний вплив гетероатома піридинкарбонові кислоти є сильнішими кислотами, ніж бензойна кислота:

В молекулах піколінової та ізонікотинової кислот карбоксильна група перебуває у спряженні з гетероатомом, і тому ці кислоти вияв­ляють сильніші кислотні властивості, ніж нікотинова кислота.

Піридинкарбонові кислоти широко застосовуються в синтезі лікарських засобів. Так, нікотинова» кислота та її амід (нікотинамід) відомі в медичній практиці як дві форми вітаміну РР(кислота є про­вітаміном, а амід — вітаміном РР). При нестачі вітаміну РР в ор­ганізмі розвивається захворювання шкіри — пелагра. Добова потреба людини в. нікотиновій кислоті становить 20-30 мг і задовольняється здебільшого за рахунок харчових продуктів — молока, риби, овочів, фруктів, гречаних круп та ін.

N,N-Діетиламід нікотинової кислоти у вигляді 25%-ного водного розчину під назвою кордіамінзастосовують як засіб, стимулюючий центральну нервову систему, збуджуючий дихальний та судинорухо­вий центри головного мозку.

Амід нікотинової кислоти та N,N-діетиламід нікотинової кислоти можна добути з нікотинової кислоти:

На основі похідних ізоникотинової кислоти створені лікарські препарати ізоніазид і фтивазид, які застосовують при лікуванні ту­беркульозу. Ізоніазид і фтивазид синтезують за схемою:

Піперидин (гексагідропіридин)— це безбарвна рідина (т. кип. 106 °С) з різким аміачним запахом, змішується з водою та більшістю органічних розчинників.

Піперидин виявляє хімічні властивості вторинних аліфатичних амінів — утворює солі з кислотами, з HNО₂ дає N-нітрозопохідне, вступає в реакції алкілування і ацилювання по атому азоту та ін. Як вторинний амін піперидин є значно сильнішою основою, ніж піридин (рК_ВН+ піперидину у воді становить 11,22; рК_ВН+ піридину 5,25).

Піперидиновий цикл є структурним фрагментом алкалоїдів ло­беліну, анабазину, коніїну (див. розд. 4.4), входить до складу анальгезуючого лікарського засобу — промедолу,нейролептичного препа­рату галоперидолута ін.