Chương I VAI NET VE CAU TAO VA TINH CHAT CUA PYRIDIN I. Vài nét về cấu tạo và khả năng phản ứng của pyriđía| 1|, [10] Theo thuyết obital phân tử thì pyridin có cấu tạo vòng phẳng, trong vòng chứa 5 nguyên tử C và một dị tố N. Giá trị năng lượng ổn định của vòng khá cao: 134,4 kJ/mol tương đương với benzen. Ở pyriđin, khoảng cách C - C bằng 1,394 A”; C— N là 1,340 A° do đó phân tử pyridin không phải là vòng lục giác đều như benzen.
Như vậy cũng có nghĩa là ở vòng pyriđin có sự phân bố điện tích không đều và do đó, xuất hiện momen lưỡng cực ( 1 = 2,26 D ) gần bằng pyrol. Trong pyriđin, các nguyên tử liên kết với nhau 9 siete § bằng các liên kết ơ của các obital lai hóa sp’. Ngoài : ra, mỗi nguyên tử đóng góp 1 electron không lai @» ⁄0 On’ hóa vào hệ thống 6 electron x giải téa trén torn ONO ----> 0/0 phân tử, Nhung trong khi, N ở pyrol thé hiện tinh oO chất cho (e) và đóng góp cả cặp (e) tự do vào hệ thống electron x của vòng, thi ở pyridin, N lại có tính chất hút (e) và hút về phía minh tat cả mật độ (e) của vòng. Mặc dù, N ở cả hai trường hợp đều ở trạng thái lai hóa sp”, nhưng các obital khác nhau của chúng tham gia vào sự xây dựng vòng.
Trong trường hợp của pyriđin, sự tạo thành 2 liên kết o và 1 liên kết x giữa các nguyên tử C, với dị tố N dẫn tới một điều là cặp (e) còn lại không / g / liên kết của N ở ngoài vòng. é / Hình bên mô tả một phân đoạn C —N~C của pyriđin. 9 g2 / : Ika sp Cần nh ắ n m ạ n h r ằ n g , k h i đ ư a CNG nguyên t ử N v à o v ò n g k h ô n g c h ỉ lê Ô | Sinh viên: Tran Thị Thanh Thảo Trang 4 Khoá luận tết nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Văn Đăng làm thay đổi tính chất bộ khung cacbon của vòng, ma sự liên hợp của các (e) x trong vòng cũng ảnh hướng đến bán chất của dị tố N. Sự tương tác bổ sung của cặp (e) tự do bên ngoài với hệ (e) của vòng dẫn tới làm giảm một chút tính bazo của pyridin (pK, = 5,2).
Tuy nhiên, nhờ có cặp (e) tự do này mà pyriđin chẳng những có tính bazơ mà còn dễ dàng tạo phức với các axit Liuyt và nhiều ion kim loại. Sự phân bố mật độ (e) trong vòng pyridin tương ứng mm với kết luận về đặc tính electrophin của vòng và tính. Mặt khác, theo thuyết sơ đồ hóa trị, phân +0077 tử pyriđin có thể được giới thiệu một cách hình thức ở dang _osos một dãy các cấu trúc cộng hưởng giới hạn với sự phân chia điện tích trong vòng. lân (Jtam —Ö mm ¬.7 lớn hơn momen (II) (iil) lưỡng cực của piperidine (1,16D), có thể kết luận rằng trong trường hợp của pyriđin, sự đóng góp vào lai tạo cộng hưởng của các dạng có phân bế điện tích (II, IV, V) cũng rất đáng kể.
Cũng từ đây ta thấy sự thế electrophin trên các nguyên tử C, đặc biệt là ở vị trí 2, 4, 6 rat tin tưởng vì ở đó có điện tích đương. Trong các cấu trúc (1) và (II), sự thế electrophin chỉ có thể xảy ra ở 3, 5. Dị tế N của pyridin trong các trường hợp này thể hiện vai trò như một nhóm thế loại 2 do tính chất hút (e) của nó. Hay nói cách khác, về khả năng thế electrophin thì pyriđin tương đương với nitrobenzen.
Các công thức cộng hưởng (1) và (II) đóng góp nhiều nhất vào sự lai tạo cộng hưởng của pyridin. Ta thấy ở các vị trí 2 và 6, điện tích đương lớn hơn một chút so với ở vị trí 4, điều này chắc chắn gắn với hiệu ứng cảm ứng âm của N. Từ đó cho thấy sự thế Sy chỉ có khả năng xảy ra ở các vị trí 3, 5 trong các điều kiện rit nặng nề. Ở các vị trí 2, 6 cũng có thể diễn ra sự thé Sy.
Vị trí 4 thế Sy khó hơn vị trí 2, 6. N trong pyriđin thể hiện tính bazơ, có thể tạo muối với proton cũng Sinh viên: Trân Thị Thanh Thảo Trang 5 Khoá luận tốt nghiệ Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Van như tiếp nhận sự tắn công của các tác nhân electrophin như phản ứng ankyl hóa chẳng hạn. Tính chất hóa học 1. Tính bazơ và các phan ứng trên dj tố nitơ [1] Pyridin có thé tạo muối kết tinh bền vững với đa sé các axit protonic.
ZZ Z“ © | + HBr | | Br ` SO) H Pyridini bromua Do đó, pyridin thường dùng làm dung môi có tinh bazơ có tinh trung hòa các axit tạo ra trong phản ứng hoặc để én định các anion kém bén như BF¿, BCl,. Pyridin có thé tác dụng dé dàng với nhiều tác nhân electrophin cho muối pyriđin do có cặp electron trên nguyên tử N.NBFyete, 20°C K ) 7 No] se N-Nitropyridin bo tetraflorua — Oo §0,/CH,Cl,, 20°C Wvy \ + b @ Pyridin-N-sunfonat hay pyridin sunfotrioxit 7 C¿H„COC1/etxang,20%C Ệ ;À-cocạu ei" N-Benzoylpyridin clorua CHI Van cule K ye N-Metylpyridin iodua Sinh vién: Tran Thj Thanh Thao Trang 6 Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Th. Phản ứng thế electrophin (S;) Phản ứng thế electrophin trên các nguyên tử C của vòng pyridin khó khăn hơn nhiều so với benzen và tương tự như với nitrobenzen. Đó là do hai nguyên nhân sau: Do sự thiếu hụt ex trong nhân pyriđin (chủ yếu ở các nguyên tử C) như đã phân tích ở phần cấu tạo Do pyriđin khi phản ứng không ở dạng tự do mà đã bị tác dụng của các tác nhân electrophin (H", NO,, SOs.) thành dang piridini mà hoạt tính của nó với các tác nhân thế electrophin đã giảm đi 10'? — 10'Ẻ lần so với benzen.
Chính vì vậy, các phản ứng nitro hóa, sunfo hóa, halogen hóa pyriđin chỉ thực hiện được với hiệu sudt thấp trong các điều kiện khắc nghiệt vào vị trí số 3; các phản ứng Friđen-Crap không xảy ra. Ví dụ: HNOx;SO„„, 300°C Hà (6%) -H,0 3-Nitropy ridin H;8O,¿, 320°C Cr : (hiệu suất rất thấp, nếu có xúc tác là muối Hg”* có thể đạt 70%) Axit pyridin -3-sunfinic Br Br,, 300°C (39%, nếu có mat oleum 66% có thể đạt 85%) 3-Brompyridin không phản ứng Hoạt tính của pyriđin và sự định hướng tác nhân electrophin vào vị trí số 3 (hoặc 5) là do trong cấu trúc cộng hưởng, các vị trí 2, 4, 6 bị dương hóa và do tính bền của trạng thái chuyến tiếp quyết định: Sinh viên: Trân Thị Thanh Thảo Trang 7 Khoá luận tốt nghỉ Giáo viên hướng dẫn: Th.H [VAo Cy Ca | | = | —s Í > Œ) ar) cur) Trong các cấu trúc giới han trên, cấu tric (III) của sự tắn công vào C va cấu trúc (II'') của sự tấn công vào C, đặc biệt không bén vi cấu tạo bát tử của nguyên tử N âm điện bị vi phạm và sự định vị điện tích đương trên nguyên tử N âm điện làm tăng nội năng của trạng thái chuyển tiếp so với trạng thái chuyển tiếp của sự tắn công electrophin vào vị trí 3. Khi trong vòng có nhóm thế loại một ở vị trí 2, 4, 6 thì phản ứng thế electrophin dé dàng hơn vào vị tri số 3 (hoặc 5). Nếu nhóm thế loại một mạnh ở vị trí số 3 (hoặc 5) thì sẽ định hướng tác nhân electrophin vào vị trí số 2.
Ví dụ: OC2Hs OC;H; Ss + HNO„ da CX + HO (70-75%) ` NO; 1. Phan ứng thế nucleophin (Sx) 1.1,Phan ứng thé nueleophin rat đặc trưng cho tính chat của pyriđin. Phản ứng thế điển hình cho sự thế nucleophin vào vị trí số 2 của pyridin là các phản ứng amin hóa theo Chichibabin, aryl hóa theo Ziclo và alkyl hóa: Sinh viên: Trần Thị Thanh Thảo Trang § Khoá luận tốt nghỉ Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Văn Dan NaNHz/C,H.(CH;);, 100°C @ HO (Z | NHNa NH), 2-(natri amino)pyridin 2-aminopyridin Dé giải thích khả năng thé cũng như hướng thế nucleophin vào vị trí số 2 (đôi khi vào vị trí số 4), người ta căn cứ vào cấu trúc cộng hưởng của pyriđin và tinh ổn định của trang thái chuyển tiếp: YotGorc® (Ls sel — Ck Nv `Nụ Nu Nu (i) (IIl) on (1) N H H “ H =— SGK (!) (Ir) (II!) Tắt cả các cấu trúc trên đều khá ổn định vì tính âm điện cao của nguyên tử N, trong đó cấu trúc (I) đặc biệt ổn định vi sự tích điện âm trên nguyên tử N đã giải thích hướng thế vào vị trí 2 của pyriđin. Sự thế vào vị trí số 4 chỉ xảy ra khi tác nhân nucleophin có tính ổn định cao.
Ví dụ: CH,—C,Hs a ⁄⁄ Ì + CadCHụi _S6 có mktO,, | + LH 4-benzylpyridin Sinh viên: Trần Thị Thanh Thảo Trang 9 Khoá luận tết nghỉ Giáo viên hướng dẫn: Th. Phản ứng thé halogen hay nhóm nitro trong vong pyridin Halogen và nhóm nitro ở vị trí 2 hoặc 4 trong vòng pyridin dễ được thay thé bởi các tác nhân nucleophin. Các 4-halogen họat động hơn 2-halogen nên còn có thé ty dime hóa. Các 3-halogen rat bền vững, khó thay thế, khi cần phải thay thé người ta phải cho thêm xúc tác: +CH;ONa/CH,OH, ® N° ~OCH, C2 2-Metoxipyridin 2-Clopyridin 3 = Pa SN OH h Oo 2-Hidroxipyridin a-pyriđon in cl _220 0°C, C, 33 ngày | ý À mm.“ clorua \ / = Bo6e0°C có NO H~ bự 4-Nitropyridin 4-Hidroxipyridin y-pyriđon Br NH >.
N Tat cả các phan ứng trên đều là các phản ứng S„2 hay còn gọi là phản ứng cộng - tách, cộng tác nhân nucleophin, tách một anion. Phản ứng oxi hóa và khử I. Phan ứng oxi hóa Pyriđin bền với chất oxi hóa. Ví dụ: dung dịch KMnO, trong ống hàn kín ở 100°C có thé oxi hóa pyriđin chỉ với tốc độ chậm thành các sản phẩm phá vỡ Sinh viên: Trân Thị Thanh Thảo Trang 10 Khoá luận tết nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Văn Đăng vòng phức tạp.
Nếu chất oxi hóa là peroxit, pyriđin bị chuyển thành N-oxit như một amin bậc ba: =\ H,OYCH,COOH, 65°C [ /“” an NE Pyridin N-oxit Pyridin N-oxit là chất hoạt động, dé thé electrophin hơn pyridin và được dùng làm chat trung gian trong việc tổng hợp một số dẫn xuất của pyriđin. Ví dụ: nitro hóa pyriđin ở điều kiện nhiệt độ rất cao được 3-nitropyriđin còn nitro hóa pyridin N-oxit ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn được 4-nitropyridin N-oxit rồi loại oxi dễ dang bằng PCI): (pre ReonNoo aero) ` i aan. Phan ứng khử Pyriđin dễ bị khử hoàn toàn hay không hoàn toàn tùy thuộc vào chất khử và điều kiện phản ứng H,/Pt, CH,COOH, 20°C () (95%) N ⁄ h ¬ | Piperidin Na/C;H.