Реакции нуклеофильного замещения

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 (320^оС) 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 0^оС 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 К_в =2,3 · 10^ˉ9. По основности он значительно уступает аммиаку и алифатическим аминам (К_в =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.