В отличие от бензола и его производных, пиридин способен вступать в реакции нуклеофильного замещения. Эти реакции идут даже легче, чем реакции электрофильного замещения. При нуклеофильном замещении атаке нуклеофилом подвергается, в основном, α -положение пиридина, поскольку оно беднее электронами.
На начальной стадии нуклеофильной атаки в различные положения пиридина могут образоваться карбанионы (в лимитирующей стадии), отличающиеся по устойчивости.
При атаке нуклеофила (Nu) во второе положение пиридина образующийся карбанион представляет собой резонансный гибрид предельных структур I, II и III. В этом гибриде вклад I больше, потому что в I отрицательный заряд приходится на электроотрицательный атом азота и эта структура более устойчива, чем II и III.
При β -атаке нуклеофила, образующийся карбанион по устойчивости уступает промежуточной частице, возникающей при α -атаке. Потому что среди каноничесих структур IV, V и VI нет структуры, подобной I.
При γ -атаке нуклеофила, как и при α -атаке, резонансный гибрид включает относительно устойчивую структуру VIII, поэтому этот гибрид и сам более устойчив, чем продукт лимитирующей стадии при β -атаке
Образовавшиеся в лимитирующей стадии карбанионы при α- и γ -атаке нуклеофила в быстрой стадии реакции отщепляют гидрид – ион подходящему акцептору и дают продукт замещения.
Таким образом, при нуклеофильном замещении в пиридине действие нуклеофила направлено в α - и γ -положения и реакция идет быстрее, чем электрофильное замещение.
Теперь рассмотрим отдельные реакции нуклеофильного замещения с участием пиридина.
Чичибабин и Зейде (1914 г.) установили, что при нагревании пиридина с амидом натрия или калия происходит образование α -аминопиридина
В том случае, если α -положения в пиридине заняты, то реакция идет с участием γ -положения.
В пиридиновое кольцо можно ввести и гидроксил. Для этого пиридин нагревают (320оС) с сухим едким кали (Чичибабин)
При гидроксилировании пиридина температура реакции значительно выше, чем при аминировании. Это объясняется тем, что нуклеофильность гидроксил-аниона ниже, чем нуклеофильность амид-аниона.
Еще более сильный нуклеофил – фенил-анион, реагирует с пиридином даже при 0оС с образованием 2-фенилпиридина
В этой реакции вначале образуется литиевая соль дигидропиридина, которая при нагревании или окислении дает фенилированный пиридин.
Пиридин как основание
В отличие от пиррола, неподеленная пара электронов которого участвует в ароматическом сопряжении, в пиридине эта пара свободна и обуславливает основность гетероцикла. Так, пиридин, легко образует соли с сильными кислотами
Пиридин достаточно слабое основание, его константа основности составляет Кв =2,3 · 10ˉ9. По основности он значительно уступает аммиаку и алифатическим аминам (Кв =10ˉ4), пирролидину.
Наблюдаемая зависимость основности от строения объясняется тем, что в пиридине неподеленная пара электронов занимает sp 2-орбиталь, в то время как в аминах – sp 3-орбиталь. У sp 2-гибридизованного атома азота электроотрицательность больше, чем у sр 3-гибридизованного атома. В замещенных пиридинах основность изменяется в ожидаемом направлении. Электронодонорные заместители увеличивают основность, а электроноакцепторные ее понижают.
