吡啶 吡啶結(jié)構(gòu)式
吡啶(pyridine)又稱為“氮雜苯”,是一種含氮六元雜環(huán)化合物,分子式C?H?N,沸點115℃,為具有特殊臭味的無色液體,可與水、醇、醚等任意比例混合,能溶解大部分有機化合物和許多 無機鹽 類。 吡啶本身呈弱堿性,具有芳香性,其結(jié)構(gòu)與苯相似,由于特殊的“缺π”電子體系,易發(fā)生親核取代反應(yīng),主要生成α-位取代產(chǎn)物。 吡啶存在于 煤焦油 中,但由于產(chǎn)率低,目前其主要通過化學(xué)合成法制得。吡啶是性能良好的溶劑和有機合成原料,在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用。其衍生物也廣泛存在于自然界中,是許多天然藥物、染料和生物堿的基本組成部分。 此外,吡啶中毒無特效解毒藥物,以對癥支持治療為主。因此,日常生活中使用吡啶需要謹慎小心。
發(fā)展歷史 1851年,蘇格蘭的化學(xué)家托馬斯·安德森(Thomas Anderson)從骨焦油中分離出吡啶,通過分餾得到純品并做了鑒定。隨后,化學(xué)家K?rner和Dewar分別在1869年和1871年闡明了吡啶結(jié)構(gòu),標志著該領(lǐng)域重要化學(xué)研究的開始 。但煤焦油或 骨油 中吡啶及其衍生物份量有限,不僅產(chǎn)量少,而且操作效率低。 在20世紀40年代初,隨著世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生以油代煤的變化,吡啶的來源受到限制,化學(xué)合成法成為了獲得吡啶的主要途徑。1924年,Chichbabin提出大批量生產(chǎn)吡啶及其衍生物的工業(yè)方法,以醛和氨為原料,經(jīng)過對催化劑的不斷改進,產(chǎn)率逐漸提高。隨著石油天然氣 工業(yè)的發(fā)展,以及考慮到原料成本,又出現(xiàn)了以酮 、醇 、烯等為原料催化合成吡啶及其衍生物的方法,但工藝尚且不成熟而且產(chǎn)率較低。因此,大部分吡啶及其衍生物仍然是以醛和氨作為原料,經(jīng)催化合成而得。
理化性質(zhì)
吡啶的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì) 吡啶的結(jié)構(gòu)與苯相似,可以看做是苯分子中的 碳原子 被氮原子取代所得到的化合物,吡啶環(huán)中的氮原子采用 sp2 雜化, 孤對電子 對處于 sp2 雜化軌道上并指向環(huán)外,不參與共軛。6個 P 軌道構(gòu)成封閉的共軛體系,有6π電子,符合(4 n +2) Hückel規(guī)則 ,因此吡啶具有芳香性。此外,吡啶的極性大于其氫化物 六氫吡啶 且方向相同。 吡啶為黃色或無色的液體,呈弱堿性,具有惡臭和強刺激性氣味;其液體相對密度為0.982,蒸氣密度為2.72,熔點-42℃,沸點115℃。此外,由于吡啶環(huán)中的氮原子具有較大的電負性,存在未共用的電子對能與水形成氫鍵、與Cu2?、Ag?等金屬離子配位,所以吡啶具有良好的溶解性,易溶于水和醇、醚等有機溶劑,還可以溶解無機鹽,是極具廣泛應(yīng)用價值的溶劑。
化學(xué)性質(zhì)
堿性 因為吡啶環(huán)氮原子上的未共用電子對容易接受質(zhì)子 ,所以吡啶顯堿性。吡啶的堿性強于苯胺,弱于 脂肪胺 。這是由于未共用電子對處于 sp2 雜化軌道中, s 成分較多,電子受核約束較強。吡啶是一個弱堿,能與無機酸生成鹽,在合成中常將其作為堿使用,相當于 叔胺 。 此外,其還原產(chǎn)物六氫吡啶(哌啶)則顯示出較強的堿性, pKa =11.2,具有仲胺的性質(zhì),也是常用的有機堿。
親電取代 吡啶是炔π電子芳雜環(huán)。由于氮原子的電負性較大,使得吡啶環(huán)上碳原子的 電子云 密度較苯低,再與質(zhì)子或Lewiss酸結(jié)合后,環(huán)上碳原子的電子云密度更低,因而其親電取代比苯困難。吡啶的親電取代主要發(fā)生在3位。 該反應(yīng)特點有:不發(fā)生F-C烷基化、酰基化反應(yīng);硝化、磺化、鹵化必須在強烈條件下才能發(fā)生;吡啶環(huán)上有給電子基團時,反應(yīng)活性增高;吡啶氮原子可以看作是 間位定位基 。
親核取代 吡啶環(huán)上氮原子的作用類似于 硝基苯 上的硝基,使環(huán)上電子云密度降低,所以較為容易發(fā)生親核取代,主要發(fā)生在2(4)位。當2-位上有易離去基團(如Cl等)時,較弱的親核試劑(如 NH? 等)就能發(fā)生親核取代反應(yīng)。該取代主要分為強堿型親核取代和活化芳香親核取代。 強堿型親核取代,指強堿負離子親核加成2位,生成吡啶負離子,然后消去 氫負離子 ,完成取代。 如下圖所示: 活化芳香親核取代,指吡啶氮活化鄰、對位的X、NO?等基團,使之易于離去。 如下圖所示:
氧化還原 吡啶環(huán)由于電子云密度較低,本身不易被氧化,但當吡啶環(huán)帶有側(cè)鏈時,其側(cè)鏈容易被氧化成醛或羧酸。 如下所示:
吡啶在特殊氧化條件下可以發(fā)生類似叔胺的氧化反應(yīng),生成 N -氧化物,吡啶 N -氧化物同樣可以還原脫氧。 與氧化反應(yīng)相反,吡啶環(huán)相比苯易被還原,用催化加氫和化學(xué)試劑都可以還原,生成六氫吡啶(哌啶)。
配位反應(yīng) 吡啶類配體具有優(yōu)異的分子內(nèi)電子及能量傳遞性能,大多具有多個配位點,能與多數(shù)金屬離子形成構(gòu)型豐富、性能獨特的多功能配合物。吡啶類配體數(shù)量龐大、種類繁多,根據(jù)吡啶類化合物在配合物中的發(fā)揮的效力可以分為:螯合配體、橋聯(lián)配體和多功能配體。
以上三種吡啶類配體由于吡啶環(huán)上無其他取代基,亦被稱為中性吡啶配體 。
制備方式
從煤焦油中提取 世界大部分國家都曾采用煤焦油分餾法得到吡啶。通常使用高溫?zé)捊箷r的飽和器 母液 作原料,回收提取成粗吡啶,經(jīng)加熱脫渣得水吡啶,再用 純苯 共沸脫水得無水吡啶。然后,通過蒸餾切割收集餾分,經(jīng)過精餾得最終成品。 但由于每噸煤焦油中僅含0.03~0.09kg的吡啶及 吡啶堿 ,其含量低且產(chǎn)量小,遠遠難以滿足市場需求,因此開發(fā)出了化學(xué)合成法,該方法也成為合成吡啶的主要方法。
化學(xué)合成法
氨-醛法 化學(xué)合成法為生產(chǎn)吡啶的主要方法,按反應(yīng)相可分為液相法和氣相法兩種,其中又以氣相法為主。氣相法合成吡啶,按原料分主要可分為氨-醛法、炔-氨法、烯-氨法、醇-氨法、酮-氨法和炔-腈法。而在所述方法中,又以氨-醛法最為重要。
氨-醛法生產(chǎn)工藝是目前世界上應(yīng)用最廣泛的工業(yè)路線,普遍采用金屬離子改性沸石作為催化劑,此催化劑的發(fā)展經(jīng)歷過三個階段,最初采用非晶形硅鋁酸鹽,后改為晶形硅鋁酸鹽,最后是將ZSM-5沸石進行改性,將金屬離子通過離子交換處理后引入ZSM-5沸石中,并提高了沸石中的硅-鋁比。在大生產(chǎn)中,為了增加反應(yīng)收率和提高催化劑活性,通常將氨過量,反應(yīng)在較高溫和 Al?O? - SiO? 催化作用下生成吡啶及吡啶堿。 用 甲醛 、 乙醛 和氨合成吡啶的工業(yè)化合成路線已成熟,并且具有原料價廉易得的優(yōu)勢。因此,世界上主要的吡啶生產(chǎn)商都采用此工藝。 該反應(yīng)原理如下所示: 氣相法工藝操作流程為:原料進入反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)生成氣體,隨后進入貯罐、萃取塔經(jīng)萃取生成萃取相,再至溶劑 蒸餾塔 蒸出萃取劑。最后,產(chǎn)物再繼續(xù)進入 精餾塔 精餾得吡啶。
環(huán)狀化合物轉(zhuǎn)化法 環(huán)狀化合物轉(zhuǎn)化法主要是以 四氫糠醇 和氨為原料,在一定溫度下,經(jīng)過某些金屬氧化物催化劑(如Cr? O? 等)的催化生成 羥胺 ,再經(jīng)過脫水和脫氫生成吡啶的過程。雖然該方法合成的吡啶收率較高,但所用的原料成本較大且對環(huán)境有污染,故此方法實用價值不大。
烷基吡啶脫烷基法 烷基吡啶脫烷基法主要針對煤焦油中分離提取得到的甲基吡啶、其他烷基吡啶及合成法中得到的大量的烷基吡啶。其技術(shù)研究主要包括催化氧化脫烷基、催化水蒸氣脫烷基、催化加氫脫烷基和熱解脫烷基等。這種方法多在高溫、H?、和 H?O 或空氣及催化劑存在的條件下進行,并且未反應(yīng)的烷基吡啶可以循環(huán)利用。
應(yīng)用領(lǐng)域 吡啶系列原料作為化學(xué)工業(yè),特別是精細化工的重要原料,應(yīng)用范圍很廣,涉及醫(yī)藥中間體、醫(yī)藥制品、農(nóng)藥、農(nóng)藥中間體、香料及其它多項領(lǐng)域。
在醫(yī)藥方面的應(yīng)用 此前,吡啶主要被用于醫(yī)藥和溶劑領(lǐng)域。在醫(yī)藥行業(yè),吡啶可用于生產(chǎn)幾十種藥物,如頭孢立新、維生素A、青霉素和局部麻醉藥等。
在農(nóng)藥方面的應(yīng)用 吡啶類化合物普遍具有良好的生物活性,其作用機制獨特,具有活性位點多、高效、低毒等特點。在農(nóng)藥方面,可用于生產(chǎn) 除草劑 、殺菌劑、殺蟲劑等。 也正因為在農(nóng)藥領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異,該類化合物在生產(chǎn)研發(fā)中具有較高的關(guān)注度,相應(yīng)產(chǎn)品在農(nóng)化領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,市場占比較高。
在香料工業(yè)中的應(yīng)用 吡啶自70年代起,由于所用香域廣,應(yīng)用范圍大,已經(jīng)在日用香精、食用香精中顯示出廣闊的發(fā)展前景。吡啶類香料采用化學(xué)合成法合成各類系列的衍生產(chǎn)品,其中以烷基吡啶類香料、烷氧基吡啶類香料、吡啶硫化物等最具開發(fā)前景。
烷基吡啶類香料,吡啶與酮在鋁或鎂存在下進行取代反應(yīng),最終可制得系列具有不同香味的2-烷基吡啶;烷氧基吡啶類香料,吡啶氯化制成 2-氯吡啶 后再與甲醇鈉反應(yīng)可制得酚香香料 2-甲氧基吡啶 ;吡啶硫化物是一類很有應(yīng)用價值的香料,尤其可用于 增香劑 。
衍生物品 吡啶有許多的衍生物,其中重要的衍生物有煙酸、 煙酰胺 、 異煙肼 等。 煙酸(nicotinic ac id),即吡啶-3-甲酸,又稱維生素PP,為無色且微有酸味的針狀晶體。它是B族維生素的一種,用于防治 糙皮病 和治療 舌炎 、皮炎等。 煙酰胺(nicotinamide),可由煙酸在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化而成,為白色結(jié)晶性粉末,味苦,無臭,易溶于水和 乙醇 。它參與人體代謝,缺乏時會影響人體細胞代謝從而引起糙皮病。 異煙肼(isonicotinic acidhydrazine),又稱4-吡啶甲酰肼,商品名叫雷米封,是 異煙酸 的 酰肼 ,為白色、無臭無味晶體或粉末。具有較強的抗結(jié)核作用,可用于肺結(jié)核、 結(jié)核性腦膜炎 等方面的治療。
健康危害 吡啶在世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物清單中屬于2B類致癌物。
無論是吡啶液體還是吡啶蒸氣,都會對人體的健康造成一定的傷害。吡啶可經(jīng)呼吸道、消化道和皮膚被人體吸收。
若不小心吸入或攝入化學(xué)品,輕者表現(xiàn)為眼及上呼吸道刺激癥狀,伴有胸悶、惡心、頭痛;重癥會呼吸困難、昏迷甚至大小便失禁,更會對肝、腎造成損害。吡啶中毒,無特效解毒藥物,以對癥支持治療為主。此時,應(yīng)立即將受害人移至新鮮空氣處,必要時吸氧;飲足量溫水催吐,并立即就醫(yī)。
若人體的眼睛被吡啶熏蒸,會出現(xiàn)眼刺激癥狀,角膜灼傷、眼瞼水腫、痙攣、角膜上皮脫落、睫狀體充血等;若皮膚接觸吡啶,會引起原發(fā)性刺激或光敏性皮炎,出現(xiàn)皮疹、灼痛、皸裂等癥狀。此時,應(yīng)立即用清水徹底沖洗,眼部損傷者沖洗后給予激素和抗生素眼膏交替滴眼,給予對癥和支持治療。