[科普中國]-Boger 吡啶合成

1,2,4-三氮唑和親二烯體（如烯胺）通過雜原子D-A加成脫去N2得到吡啶的反應(yīng)。

吡啶是指苯環(huán)上含有一個氮原子的六元雜環(huán)化合物，其結(jié)構(gòu)與苯非常相似，從生物電子等排理論來說，化巧和苯是一對生物電子等排體，兩者在很多方面是相似的。除作溶劑外，吡啶在工業(yè)上還可用作變性劑、助染劑，以及合成一系列產(chǎn)品（包括藥品、消毒劑、染料、食品調(diào)味料、粘合劑、炸藥等）的起始物。

反應(yīng)原理

反應(yīng)實例

吡啶及其衍生物吡啶，有機化合物，是含有一個氮雜原子的六元雜環(huán)化合物?？梢钥醋霰椒肿又械囊粋€（CH）被N取代的化合物，故又稱氮苯，無色或微黃色液體，有惡臭。吡啶及其同系物存在于骨焦油、煤焦油、煤氣、頁巖油、石油中。吡啶在工業(yè)上可用作變性劑、助染劑，以及合成一系列產(chǎn)品（包括藥品、消毒劑、染料等）的原料。

2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物清單初步整理參考，吡啶在2B類致癌物清單中。1

芳香性吡啶的結(jié)構(gòu)與苯非常相似，近代物理方法測得，吡啶分子中的碳碳鍵長為139pm，介于C-N單鍵 （147pm）和C=N雙鍵（128pm）之間，而且其碳碳鍵與碳氮鍵的鍵長數(shù)值也相近，鍵角約為120°，這說明吡啶環(huán)上鍵的平均化程度較高，但沒有苯完全。

吡啶環(huán)上的碳原子和氮原子均以sp2雜化軌道相互重疊形成σ鍵，構(gòu)成一個平面六元環(huán)。每個原子上有一個p軌道垂直于環(huán)平面，每個p軌道中有一個電子，這些p軌道側(cè)面重疊形成一個封閉的大π鍵，π電子數(shù)目為6，符合4n+2規(guī)則，與苯環(huán)類似。因此，吡啶具有一定的芳香性。氮原子上還有一個sp2雜化軌道沒有參與成鍵，被一對孤對電子所占據(jù)，使吡啶具有堿性。吡啶環(huán)上的氮原子的電負性較大，對環(huán)上電子云密度分布有很大影響，使π電子云向氮原子上偏移，在氮原子周圍電子云密度高，而環(huán)的其他部分電子云密度降低，尤其是鄰、對位上降低顯著。所以吡啶的芳香性比苯差。

在吡啶分子中，氮原子的作用類似于硝基苯的硝基，使其鄰、對位上的電子云密度比苯環(huán)降低，間位則與苯環(huán)相近，這樣，環(huán)上碳原子的電子云密度遠遠少于苯，因此象吡啶這類芳雜環(huán)又被稱為“缺π”雜環(huán)。這類雜環(huán)表現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)上是親電取代反應(yīng)變難，親核取代反應(yīng)變易，氧化反應(yīng)變難，還原反應(yīng)變易。

物理性質(zhì)無色或微黃色液體，有惡臭。

熔點(℃)： -41.6

沸點(℃)： 115.2

相對密度(水=1)： 0.9827

折射率：1.5067（25℃）

相對蒸氣密度(空氣=1)： 2.73

飽和蒸氣壓(kPa)： 1.33/13.2℃

閃點(℃)： 17

引燃溫度(℃)： 482

爆炸上限%(V/V)： 12.4

爆炸下限%(V/V)： 1.7

燃燒熱（定壓）(KJ/mol)：2826.51

（定容）(KJ/mol)：2782.97

比熱容（21℃，定壓）（KJ/kg.K)：1.64

臨界溫度（℃）：346.85

臨界壓力（MPa）：6.18

電導(dǎo)率（25℃）（μS/cm）：4

熱導(dǎo)率（20℃）（W/m.K）：0.182

黏度（15℃）（mPa.S）：1.038

（20℃）（mPa.S）：0.952

（30℃）（mPa.S）：0.829

蒸發(fā)熱（25℃）（KJ/mol）：40.4277

熔化熱（KJ/mol）：7.4133

生成熱（液體）（KJ/mol）：99.9808

偶極距：2.22D 吡啶為極性分子，其分子極性比其飽和的化合物——哌啶大。這是因為在哌啶環(huán)中，氮原子 只有吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)（-I），而在吡啶環(huán)中，氮原子既有吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)，又有吸電子的共軛效應(yīng)（-C）。

溶解性： 溶于水和醇、醚等多數(shù)有機溶劑。吡啶與水能以任何比例互溶，同時又能溶解大多數(shù)極性及非極性的有機化合物，甚至可以溶解某些無機鹽類，所以吡啶是一個有廣泛應(yīng)用價值的溶劑。吡啶分子具有高水溶性的原因除了分子具有較大的極性外，還因為吡啶氮原子上的未共用電子對可以與水形成氫鍵。吡啶結(jié)構(gòu)中的烴基使它與有機分子有相當(dāng)?shù)挠H和力，所以可以溶解極性或非極性的有機化合物。而氮原子上的未共用電子對能與一些金屬離子如Ag、Ni、Cu等形成配合物，而致使它可以溶解無機鹽類。 與水形成共沸混合物，沸點92～93℃。（工業(yè)上利用這個性質(zhì)來純化吡啶。）

光譜性質(zhì)（1）吡啶的紅外光譜（IR）：芳雜環(huán)化合物的紅外光譜與苯系化合物類似，在3070～3020cm-1處有C—H伸縮振動，在1600～1500cm-1有芳環(huán)的伸縮振動（骨架譜帶），在900～700cm-1處還有芳氫的面外彎曲振動。

（2）吡啶的核磁共振氫譜（HNMR）：吡啶的氫核化學(xué)位移與苯環(huán)氫（δ7.27）相比處于低場，化學(xué)位移大于7.27，其中與雜原子相鄰碳上的氫的吸收峰更偏于低場。當(dāng)雜環(huán)上連有供電子基團時，化學(xué)位移向高場移動，取代基為吸電性時，則化學(xué)位移向低場移動。

（3）吡啶的紫外吸收光譜（UV）：吡啶有兩條紫外光譜吸收帶，一條在240～260nm（ε=2000），相應(yīng)于π→π*躍遷（與苯相近）。另一條在270nm的區(qū)域，相應(yīng)于n→π*躍遷（ε=450）。

化學(xué)性質(zhì)吡啶及其衍生物比苯穩(wěn)定，其反應(yīng)性與硝基苯類似。典型的芳香族親電取代反應(yīng)發(fā)生在3、5位上，但反應(yīng)性比苯低，一般不易發(fā)生硝化、鹵化、磺化等反應(yīng)。吡啶是一個弱的三級胺，在乙醇溶液內(nèi)，能與多種酸(如苦味酸或高氯酸等)形成不溶于水的鹽。工業(yè)上使用的吡啶，約含1%的2-甲基吡啶，因此可以利用成鹽性質(zhì)的差別，把它和它的同系物分離。吡啶還能與多種金屬離子形成結(jié)晶形的絡(luò)合物。吡啶比苯容易還原，如在金屬鈉和乙醇的作用下還原成六氫吡啶(或稱哌啶)。吡啶與過氧化氫反應(yīng)，易被氧化成N-氧化吡啶。

（1）堿性和成鹽

吡啶氮原子上的未共用電子對可接受質(zhì)子而顯堿性。吡啶的共軛酸（N原子上接受一個質(zhì)子后的吡啶）的pKa為5.25，比氨（pKa9.24）和脂肪胺(pKa 10～11)的酸性更強(pKa越小酸性越強)。原因是吡啶中氮原子上的未共用電子對處于sp2雜化軌道中，其s軌道成分較sp3雜化軌道多，離原子核近，電子受核的束縛較強，給出電子的傾向較小，因而與質(zhì)子結(jié)合較難，堿性較弱。但吡啶與芳胺（如苯胺，pKa 4.6）相比，堿性稍強一些。

吡啶與強酸可以形成穩(wěn)定的鹽，某些結(jié)晶型鹽可以用于分離、鑒定及精制工作中。吡啶的堿性在許多化學(xué)反應(yīng)中用于催化劑脫酸劑，由于吡啶在水中和有機溶劑中的良好溶解性，所以它的催化作用常常是一些無機堿無法達到的。

吡啶不但可與強酸成鹽，還可以與路易斯酸成鹽。

此外，吡啶還具有叔胺的某些性質(zhì)，可與鹵代烴反應(yīng)生成季銨鹽，也可與酰鹵反應(yīng)成鹽。

（2）親電取代反應(yīng)

吡啶是“缺π”雜環(huán)，環(huán)上電子云密度比苯低，因此其親電取代反應(yīng)的活性也比苯低，與硝基苯相當(dāng)。由于環(huán)上氮原子的鈍化作用，使親電取代反應(yīng)的條件比較苛刻，且產(chǎn)率較低，取代基主要進入3（β）位。

與苯相比，吡啶環(huán)親電取代反應(yīng)變難，而且取代基主要進入3（β）位，可以通過中間體的相對穩(wěn)定性來說明這一作用。

由于吸電性氮原子的存在，中間體正離子都不如苯取代的相應(yīng)中間體穩(wěn)定，所以，吡啶的親電取代反應(yīng)比苯難。比較親電試劑進攻的位置可以看出，當(dāng)進攻2（α）位和4（γ）位時，形成的中間體有一個共振極限式是正電荷在電負性較大的氮原子上，這種極限式極不穩(wěn)定，而3（β）位取代的中間體沒有這個極不穩(wěn)定的極限式存在，其中間體要比進攻2位和4位的中間體穩(wěn)定。所以，3位的取代產(chǎn)物容易生成。

（3）親核取代反應(yīng)

由于吡啶環(huán)上氮原子的吸電子作用，環(huán)上碳原子的電子云密度降低，尤其在2位和4位上的電子云密度更低，因而環(huán)上的親核取代反應(yīng)容易發(fā)生，取代反應(yīng)主要發(fā)生在2位和4位上。

吡啶與氨基鈉反應(yīng)生成2-氨基吡啶的反應(yīng)稱為齊齊巴賓（Chichibabin）反應(yīng)，如果2位已經(jīng)被占據(jù)，則反應(yīng)發(fā)生4位，得到4-氨基吡啶，但產(chǎn)率低。如果在吡啶環(huán)的α位或γ位存在著較好的離去基團（如鹵素、硝基）時，則很容易發(fā)生親核取代反應(yīng)。如吡啶可以與氨（或胺）、烷氧化物、水等較弱的親核試劑發(fā)生親核取代反應(yīng)。

（4）氧化還原反應(yīng)

由于吡啶環(huán)上的電子云密度低，一般不易被氧化，尤其在酸性條件下，吡啶成鹽后氮原子上帶有正電荷，吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)加強，使環(huán)上電子云密度更低，更增加了對氧化劑的穩(wěn)定性。當(dāng)吡啶環(huán)帶有側(cè)鏈時，則發(fā)生側(cè)鏈的氧化反應(yīng)。

吡啶在特殊氧化條件下可發(fā)生類似叔胺的氧化反應(yīng)，生成N-氧化物。例如吡啶與過氧酸或過氧化氫作用時，可得到吡啶N-氧化物。

吡啶N-氧化物可以還原脫去氧。在吡啶N-氧化物中，氧原子上的未共用電子對可與芳香大π鍵發(fā)生供電子的p-π共軛作用，使環(huán)上電子云密度升高，其中α位和γ位增加顯著，使吡啶環(huán)親電取代反應(yīng)容易發(fā)生。又由于生成吡啶N-氧化物后，氮原子上帶有正電荷，吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)增加，使α位的電子云密度有所降低，因此，親電取代反應(yīng)主要發(fā)生在4（γ）上。同時，吡啶N-氧化物也容易發(fā)生親核取代反應(yīng)。

與氧化反應(yīng)相反，吡啶環(huán)比苯環(huán)容易發(fā)生加氫還原反應(yīng)，用催化加氫和化學(xué)試劑都可以還原。

吡啶的還原產(chǎn)物為六氫吡啶（哌啶），具有仲胺的性質(zhì)，堿性比吡啶強（pKa=11.2），沸點106℃。很多天然產(chǎn)物具有此環(huán)系，是常用的有機堿。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)