Πυριδίνη

Ονοματολογία

Η συστηματική ονομασία της πυριδίνης «αζίνη», σύμφωνα με το σύστημα Hantzsch–Widman, για την ονοματολογία ετεροκυκλικών ενώσεων. Ωστόσο η συστηματική αυτή ονομασία χρησιμοποιείται σπάνια, ενώ άλλωστε η εμπειρική της ονομασία «πυριδίνη» συνιστάται από την IUPAC. Η αρίθμηση του δακτυλίου της, για την ονοματολογία παραγώγων της πυριδίνης, ξεκινά από το άτομο του αζώτου ως #1. Για τα παράγωγά της χρησιμοποιούνται επίσης ενίοτε τόσο η αρίθμηση με γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου (α-γ), όσο και τα προθέματα ορθο- (o-), μετα- (μ-) και παρα- (π-), αντιστοίχως. Οι θέσεις 2-, α- και ο-, 3-, β- και μ-, καθώς και 4-, γ- και π-, είναι αντιστοίχως ταυτόσημες. Για την ονοματολογία των ριζών που προκύπτουν τυπικά από την πυριδίνη με αφαίρεση ενός ατόμου υδρογόνου από αυτήν (την πυριδίνη) ονομάζονται συστηματικά «πυριδινυλο-», με πρόταξη του αριθμό θέσης του ατόμου υδρογόνου που αφαιρέθηκε για να σχηματιστεί η εκάτοστε ρίζα, αλλά επίσης ενθαρρύνεται από την IUPAC και χρησιμοποιείται αντί για το συστηματικό όνομα της ρίζας η εμπειρική ονομασία «πυριδυλο-». Τα κατιονικά παράγωγα της πυριδίνης, που σχηματίζονται με την προσθήκη μιας ηλεκτρονιόφιλης ομάδας στο άτομο του αζώτου, ονομάζονται «πυριδινιώνια». Μερικά παραδείγματα ονοματολογίας παραγώγων της πυριδίνης είναι τα ακόλουθα:

Ιστορία

Αναμφίβολα, οι αλχημιστές είχαν αναμφίβολα από παλιά παρασκευάσει ακάθαρτη (χημικά) πυριδίνη, με τη θέρμανση οστών ζώων και άλλων οργανικών υλών, , αλλά η παλαιότερη τεκμηριωμένη αναφορά πιστώνεται στο Σκωτσέζο χημικό Τόμας Άντερσον (Thomas Anderson). Συγκεκριμένα, το 1849, ο Άντερσον μελέτησε το περιεχόμενο του ελαίου που λαμβάνεται μέσω υψηλής θερμοκρασίας θέρμανσης σε οστά ζώων. Μεταξύ άλλων ουσιών, που διαχωρίζονται από το έλαιο αυτό, είναι ένα άχρωμο υγρό με δυσάρεστη οσμή, από την οποία ο Άντερσον απμόνωσε χημικά καθαρή πυριδίνη. δύο χρόνια μετά από την αρχική του ανακάλυψη (δηλαδή το 1951). Περιέγραψε τη νέα (για τότε) ένωση, ως εξαιρετικά υδατοδιαλυτή, εύκολα διαλυτή σε πυκνά οξέα και άλατα, (ενίοτε) με τη βοήθεια κάποιας θέρμανσης, και μόνο ελαφρώς διαλυτή σε διάφορα έλαια.
Λόγω της ευφλεκτότητάς της, ο Άντερσον, ονόμασε τη (νέα για τότε) ένωση που ανακάλυψε «πυριδίνη», από την ελληνική λέξη «πῢρ» και το επίθεμα «ιδίνη», σύμφωνα με τη χημική ονοματολογία, όπως επίσης η τολουϊδίνη, για να υποδείξει ότι δομικά περιέχει ανθρακούχο δακτύλιο, με ένα άτομο αζώτου.
Η χημική δομή της πυριδίνης αποσαφηνίστηκε δεκαετίες μετά την ανακάλυψη της ένωσης. Συγκεκριμένα, οι Γουΐλχελμ Κέρνερ (Wilhelm Körner, 1869) και Τζέημς Ντιούαρ (James Dewar, 1871) πρότειναν ότι, σε αντίστοιχη αναλογία ανάμεσα στην κινολίνη και το ναφθαλίνιο, η πυριδίνη προέρχεται τυπικά από το βενζόλιο, αντικαθιστώντας μια μεθνιυλομάδα (=CH-) με ένα άτομο αζώτου. Η πρόταση των Κέρνερ και Ντιούαρ επιβεβαιώθηκε αργότερα, σε ένα πείραμα στον οποίο πυριδίνη ανάχθηκε σε πιπεριδίνη, με τη χρήση (στοιχειακού) νατρίου σε αιθανόλη. Το 1876, ο Ουίλιαμ Ράμσεϊ (William Ramsay) συνέθεσε πυριδίνη με συνδυασμό αιθινίου και υδροκυανίου σε ένα κλίβανο με σωλήνες ερυθροπυρομένου σιδήρου. Αυτή ήταν η πρώτη σύνθεση ετεροαρωματικής ένωσης.
Οι τότε μέθοδοι παραγωγής πυριδίνης είχαν χαμηλή απόδοση, οπότε λόγω η αυξανόμενη ζήτηση της ένωσης ώθησε την έρευνα για πιο αποτελεσματικές παραγωγικές οδούς. Μια σημαντική ανακάλυψη, στον τομέα αυτό, έγινε το 1924, όταν ο ρώσος χημικός Αλεξέι Τσιτσιμπαμπίν (Чичибабин, Алексей Евгеньевич) εφεύρε μια (νέα για τότε) αντίδραση σύνθεσης πυριδίνης, που βασίζεται σε (σχετικά) φθηνά αντιδραστήρια. Η μέθοδος αυτή, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή της πυριδίνης (δείτε παρακάτω).

Φυσική παρουσία

Η «μητρική» πυριδίνη δεν είναι άφθονη στη φύση, εκτός από τα φύλλα και τις ρίζες της μπελαντόνας (Atropa belladonna) και της (Althaea officinalis). Δομικά, όμως, «θυγατρικά» παράγωγα της πυριδίνης αποτελούν μέρος (τουλάχιστον) βιομορίων, όπως τα νουκλεοτίδια και τα αλκαλοειδή.
Στην καθημερινή ζωή, ίχνη πυριδίνης αποτελούν συστατικά των πτητικών οργανικών ενώσεων που παράγονται κατά το ψήσιμο ή και την κονσερβοποίηση προϊόντων όπως για παράδειγμα το τηγανητό κοτόπουλο, σουκιγιάκι, ο καβουρδισμένος καφές, τα πατατάκια, και τηγανητό μπέικον. Ακόμη, ίχνη πυριδίνης μπορούν να βρεθούν στο τυρί Beaufort, σε κολπικές εκκρίσεις, στο μαύρο τσάι, στο σάλιο των ανθρώπων που πάσχουν από ουλίτιδα, και στο μέλι ηλίανθου. Ο καπνός από καπνό ή κάνναβη επίσης περιέχουν μικρές ποσότητες πυριδίνης.

Παραγωγή

Ιστορικά, πυριδίνη εξάγεται από τη λιθανθρακόπισσα ή λαμβάνεται ως παραπροίόν της αεριοποίησης του άνθρακα. Οι μέθοδοι αυτές ήταν κοπιαστικές, χρονοβόρες και αναποτελεσματικές, αφού η λιθανθρακόπισσα περιέχει μόλις 1‰ πυριδίνη, ενώ η απομόνωση της ένωσης και ο καθαρισμός της συνεπάγεται περαιτέρω μείωση της παραγωγής. Σήμερα, πλέον, η περισσότερη πυριδίνη που χρησιμοποιείται παράγεται τεχνητά με τη χρήση διαφόρων μεθόδων, οι πιο σημαντικές από τις οποίες περιγράφονται παρακάτω:

Σύνθεση Τσιτσιμπαμπίν

Η ανακάλυψη της μεθόδου αυτής από το ρώσο χημικό Τσιτσιμπαμπίν το 1924 αναφέρθηκε παραπάνω στην ιστορία της ένωσης και είναι ακόμη σε χρήση από τη βιομχανία. Στη γενική της μορφή η μέθοδος μπορεί να περιγραφεί ως αντίδραση συμπύκνωσης αλδεϋδών, κετόνων και α,β-ακόρεστων καρβονυλικών ενώσεων,  ή με οποιονδήποτε συνδυασμό των προηγούμενων, με αμμωνία ή διάφορα παράγωγα αυτής. Ειδικότερα, η «μητρική» πυριδίνη παράγεται από μεθανάλη και αιθανάλη, που είναι σχετικά φθηνές και πολύ διαθέσιμες. Αρχικά, μεθανάλη και αιθανάλη υφίστανται συμπύκνωση Κνόεβανγκελ (Knoevenagel), δίνοντας ακρολεΐνη. Στη συνέχεια, παραγώμενη η ακρολεΐνη συμπυκνώνεται, μαζί με ένα ακόμη ισοδύναμο αιθανάλης, αλλά και αμμωνία, σχηματίζοντας αρχικά 1,4-διυδροπυριδίνη, που στη συνέχεια οξειδώνεται, με τη βοήθεια καταλύτη στερεάς κατάστασης, τελικά σε πυριδίνη. Η όλη διεργασία διεξάγεται στην αέρια φάση, στους 400-450 °C. Το παραγώμενο προϊόν αποτελείται από μείγμα πυριδίνης, πικολινών και λουτιδινών. Η σύνθεση του αναφερόμενου μείγματος εξαρτάται από τον καταλύτη που θα επιλεγεί,  οπότε αυτό μπορεί να προσαρμοστεί στις ανάγκες του κατασκευαστή. Ο καταλύτης είναι συνήθως άλας μεταβατικών μετάλλων, όπως το διφθοριούχο κάδμιο (CdF₂), το διφθοριούχο μαγγάνιο (MnF₂), αλλά επίσης και άλατα του κοβαλτίου και του θάλλιου, ενώσεις μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. Η παραγώμενη πυριδίνη διαχωρίζεται από διάφορα υποπροϊόντα σε πολυβάθμια διαδικασία.
Η πρακτική εφαρμογή της παραδοσιακής σύνθεσης πυριδίνης κατά Τσιτσιμπαντίν είναι περιορισμένη, εξαιτίας της σχετικά χαμηλής απόδοσης της μεθόδου, που τυπικά είναι γύρω στο 20%. Αυτή η σχετικά χαμηλή απόδοση, μαζί με την υψηλή συμπαραγωγή παραπαραγώγων, καθιστούν τη μέθοδο αυτή μη δημοφιιλή.

Απαλκυλίωση αλκυλοπυριδίνης

Η «μητρική» πυριδίνη μπορεί να παραχθεί με απαλκυλίωση αλκυλιωμένων «θυγατρικών» πυριδών, που με τη σειρά τους παράγονται ως παραπροϊόντα σε συνθέσεις άλλων «θυγατρικών» πυριδινών. Η απαλκυλίωση πραγματοποιείται με οξείδωση από το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα, με χρήση πεντοξειδίου του βαναδίου (V₂O₅) ως καταλύτη, ή  με ατμό, με καταλύτη που έχει ως βάση το νικέλιο, ή τέλος με υδρογόνο, με καταλύτη που έχει ως βάση τον άργυρο ή το λευκόχρυσο. Οι αποδόσεις αυτών των μεθόδων μπορούν να φθάσουν ως και 93%, ιδιαίτερα η μέθοδος ατμοαπαλκυλίωσης, με καταλύτη που έχει ως βάση το νικέλιο.
όπου Py εδώ οποιοδήποτε πυριδινύλιο.

Σύνθεση Χαντζσχ

Η πρώτη μεγάλης κλίμακας σύνθεση «θυγατρικών» πυριδινών περιγράφηκε το 1881 από τον Αρθουρ Ρούντολφ Χαντζσχ  (Arthur Rudolf Hantzsch). Η σύνθεση πυριδίνης κατά Χαντζσχ χρησιμοποιεί συνήθως μείγμα 2:1:1 από β-κετοξύ, όπως το  ακετοξεικό οξύ, CH₃COCH₂COOH, μια αλδεΰδη, όπως τη μεθανάλη, και αμμωνία ή ένα αζωτούχο άλας, ως δότη αζώτου. Αρχικά λαμβάνεται κάποια «θυγατρική» διυδροπυριδίνη, η οποία στη συνέχεια οξειδώνεται στην αντίστοιχη «θυγατρική» πυριδίνη. Ο Εμίλ Κνοεβενάγγελ (Emil Knoevenagel) απέδειξε ότι με αυτήν τη διεργασία μπορούν να παραχθούν και ασύμμετρα υποκατεστημένα  παράγωγα πυριδίνης.

Κυκλοποίηση Μπόννεμανν

Ο συντριμερισμός δύο ισοδυνάμων αιθινίου και ενός ισοδυνάμου (κάποιου) νιτριλίου σε 2-αλκυλοπυριδίνη ονομάζεται κυκλοποίηση Μπόννεμανν (Bönnemann cyclization). Πρόκειται για παραλλαγή της σύνθεσης Ρέππε (Reppe synthesis) και μπορεί να ενεργοποιηθεί είτε με παροχή θερμότητας είτε παροχή φωτός. Η θερμική ενεργοποίηση απαιτεί υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, ενώ η φωτοενεργοποιημένη κυκλοπροσθήκη γίνεται σε συνθήκες περιβάλλοντος, με τη χρήση CoCp₂cod, όπου Cp: κυκλοπενταδιενυλο και cod: 1,5-κυκλοοκταδιένιο, ως καταλύτη, ενώ μπορεί να πραγατοποιηθεί ακόμη και μέσα στο νερό (ως διαλύτη). Αν χρησιμοποιηθεί αιθανονιτρίλιο (CH₃CN) λαμβάνεται 2-πικολίνη. Αν απαιτείται η παραγωγή ειδικά της «μητρικής» πυριδίνης, μπορεί να ακολουθήσει απαλκυλίωση της 2-αλκυλοπυριδίνης (δείτε παραπάνω).

Σύνθεση Κράχνκε

Υπάρχει, ακόμη, η σύνθεση Κρόχνκε (Kröhnke pyridine synthesis), που αποτελεί αρκετά γενική μέθοδο παραγωγής «θυγατρικών» πυριδινών, χρησιμοποιώνται «μητρική» πυριδίνη ως αντιδραστήριο, χωρίς να καταναλώνεται η ίδια τελικά. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, στην αρχή αντιδρά πυριδίνη μα α-βρωμοεστέρες, δίνοντας το αντίστοιχο άλας πυριδινιώνιου, στο οποίο η μεθυλενική ομάδα είναι πολύ όξινη. Το άλας αυτό δίνει προσθήκη τύπου Μιχαήλ (Michael-like addition) με α,β-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις, παρουσία αιθανικού αμμωνίου, δίνοντας σχηματισμό πυριδινικού δακτυλίου που αντιστιοιχεί στη ζητούμενη «θυγατρική» πυριδίνη, καθώς αναγεννά την αρχική «μητρική» πυριδίνη, με τη μορφή βρωμιούχου πυριδινιώνιου (Py⁺Br⁻).

Μετάθεση Κιαμίκιαν-Ντέννστενττ

Σύμφωνα με τη μετάθεση Κιαμίκιαν-Ντέννστενττ  (Ciamician–Dennstedt rearrangement), γίνεται επέκταση δακτυλίου πυρρόλιου σε 3-χλωροπυριδίνη, μετά από επίδραση με διχλωρομεθυλένιο [:CCl₂]:

Σύνθεση Γκάττερμανν-Σκίτα

Σύμφωνα με τη σύνθεση Γκάττερμανν-Σκίτα (Gattermann–Skita synthesis), χρησιμοποιείται κάποιο άλας μηλονικού εστέρα, που αντιδρά με διχλωρομεθυλαμίνη (CHCl₂NH₂):

Σύνθεση Μπόγκερ

Μια άλλη μέθοδος είναι η σύνθεση Μπόγκεερ (Boger pyridine):

Με συντριμερισμό ενώσεων με τριπλό δεσμό

Με μείγμα αιθινίου (HC≡CH) και υδροκυανίου (HCN), σε αναλογία 2:1 υπέρ του πρώτου, παρουσία διαλυτών ενώσεων του κοβαλτίου, όπως το κοβαλτιοκένιο [Co(C₅H₅)₂], παράγεται πυριδίνη. (Πρόκειται για παραλλαγή της μεθόδου Μπόννεμανν):

Με επίδραση εναμίνης σε β-δικαρβονυλική ένωση

Με επίδραση αιθεναμίνης (CH₂=CHNH₂) σε προπανοδιάλη (HCOCH₂CHO), που αντιδρά με τη μορφή της ταυτομερούς της 3-υδροξυπροπενάλης (HOCH=CHCHO):

Με επίδραση 1,3-οξαζολίου σε αιθένιο και αφυδάτωση

Με επίδραση 1,3-οξαζολίου σε αιθένιο (CH₂=CH₂), παράγεται αρχικά 2,3-διυδροπυριδινόλη, που δίνει τελικά με αφυδάτωση πυριδίνη:

Βιοσύνθεση

Αρκετές «θυγατρικές» πυριδίνες παίζουν σημαντικό ρόλο στα βιολογικά συστήματα. Ενώ η βιοσύνθεσή τους δεν είναι πλήρως κατανοητή, το νικοτινικό οξύ (βιταμίνη Β₃) παρουσιάζεται σε ορισμένα βακτήρια, σε μύκητες, και σε θηλαστικά. Τα θηλαστικά συνθέτουν το νικοτινικό οξύ, μέσω της οξείδωσης του αμινοξέος τρυπτοφάνη, όπου το ενδιάμεσο προϊόν, ανιλίνη, δημιουργεί μια «θυγατρική» πυριδίνη, την κυνουρενίνη. Αντίθετα, τα βακτήρια Mycobacterium της φυματίωσης και Escherichia coli παράγουν νικοτινικό οξύ από την συμπύκνωση της 3-φωσφογλυκεριναλδεΰδης και ασπαρτικού οξέος.

Αντιδράσεις

Πολλές αντιδράσεις που είναι χαρακτηριστικές για το βενζόλιο, τις δίνει και η πυριδίνη, αλλά με χαμηλότερη απόδοση ή και σε πιο περίπλοκες καταστάσεις. Λόγω της σχετικά μειωμένης ηλεκτρονιακής πυκνότητας στο αρωματικό της σύστημα,οι αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκατσστάσεις σχετικά καταστέλλονται για τη «μητρική» και τις «θυγατρικές» πυριδίνες, υπέρ της πυρηνόφιλης προσθήκηε, στο ηλεκτρονιακά πλουσιότερο άτομο του αζώτου. Η πυρηνόφιλη προσθήκη στο άτομο του αζώτου οδηγεί σε περαιτέρω απενεργοποίηση των αρωματικών ιδιοτήτων των πυριδινών και εμποδίζουν ακόμη περισσότερο τις αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις. Από την άλλη πλευρά, τόσο η ελεύθερη-ριζική, όσο και η πυρηνόφιλη υποκατἀσταση προκύπτει ευκολότερα στις πυριδίνες σε σύγκριση με το βενζόλιο.

Αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις

Σε πολλές αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις η πυριδίνη είτε δεν τις δίνει είτε τις δίνει μόνο εν μέρει. Ωστόσο, ο ετεροαρωματικός χαρακτήρας της ένωσης μπορεί να ενεργοποιηθεί, με την προσθήκη λειτουργικής ομάδας που περιέχει δότη ηλεκτρονίων. Οι συνηθισμένες αλκυλιώσεις και ακυλιώσεις κατά  Friedel–Crafts, συνήθως αποτυγχάνουν στην πυριδίνη, γιατί τείνουν να οδηγήσουν μὀνο σε προσθήκη τους στο άτομο του αζώτου. Αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις (όταν συμβαίνουν)  εμφανίζονται συνήθως στη #3- (μετα-) θέση, που είναι αντιστοιχεί στα σχετικά ηλεκτρονιακά πλουσιότερα άτομα άνθρακα του πυριδινικού δακτυλίου, οπότε είναι σχετικά πιο επιρρεπής σε μια αρωματική ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση:
Οι αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις στην #2- (ορθο-) ή #4- (παρα-) θέσεις οδηγούν σε ενεργειακά δυσμενή σ- σύμπλοκα. Μπορούν, ωστόσο, να προωθηθούν κι αυτές, χρησιμοποιώντας πειραματικές τεχνικές, όπως η διεξαγωγή αρωματικής ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασεις όχι απευθείας στην πυριδίνη, αλλά σε N-οξυπυριδίνη, με επακόλουθη αποξυγόνωση του ατόμου του αζώτου. Η (προσωρινή έστω) προσθήκη οξυγόνου μειώνει την ηλεκτρονιακή πυκνότητα στο άτομο του αζώτου, ευνοώντας έτσι την αρωματική ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση στα άτομα άνθρακα #2 και #4. Το άτομο του οξυγόνου μπορεί να αφαιρεθεί, στη συνέχεια, μέσω διαφόρων αντιδραστικών οδών, με συνηθέστερες τη χρήση ενώσεων του Pᴵᴵᴵ ή του Sᴵᴵ, οι οποίες εύκολα οξειδώνονται, εις βάρος του N. Η τριφαινυλοφωσφίνη (PPh₃) χρησιμοποιείται συχνά ως τέτοιο αντιδραστήριο, που αφαιρεί το οξυγόνο από το άζωτο και οξειδώνεται η ίδια σε τριφαινυλοφωσφινοξείδιο (POPh₃). Οι ακόλουθες παράγραφοι περιγράγουν παραδείγματα που εκπροσωπούν αρωματικές ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις στην πυριδίνη:

Νίτρωση

Η άμεση νίτρωση της πυριδίνης απαιτεί σκληρές συνθήκες και έχει πολύ χαμηλές αποδόσεις. Η 3-νιτροπυριδίνη μπορεί να ληφθεί με την επίδραση στην πυριδίνη με πεντοξείδιο του αζώτου (N₂O₅), παρουσία μεταλλικού νατρίου. Οι «θυγατρικές» πυριδίνες στις οποίες το άτομο του αζώτου περιβάλλεται στερεοχημικά, μπορεί να ληφθεί νίτρωσή τους με επίδραση τετραφθοριούχου νιτρώνιου (NO₂BF₄). Επίσης, η 3-νιτροπυριδίνη μπορεί να ληφθεί μέσω της σύνθεσης 2,6-διβρωμοπυριδίνης, νίτρωσης της τελευταίας και αφαίρεσης των ατόμων βρωμίου από την ενδιάμεσα σχηματιζόμενη 2,6-διβρωμο-3-νιτροπυριδίνη.

Σουλφούρωση

Η απευθείας σουλφούρωση πυριδίνης είναι ακόμη πιο δύσκολα πραγματοποιήσιμη από την άμεση νίτρωση. Ωστόσο, το 3-πυριδινοσουλφονικό οξύ μπορεί να ληφθεί με αποδεκτή απόδοση με περίσσεια (πυκνού) θειικού οξέος θερμοκρασίας 320 °C σε βραστή πυριδίνη. Η αντίδραση πυριδίνης με τριοξείδιο του θείου (SO₃) διευκολύνεται με την (προσωρινή έστω) προσθήκη θείου στο άτομο του αζώτου, ειδικότερα δε με την παρουσία θειικού υδραργύρου (HgSO₄), ως καταλύτη.

Αλογόνωση

Σε αντίθεση τόσο με τη νίτρωση, όσο και με τη σουλφούρωση, η άμεση βρωμίωση και η άμεση χλωρίωση προχωρεί καλά. Με αντίδραση πυριδίνης με διβρώμιο (Br₂) σε θεικό οξύ, στους 130 °C εύκολα παράγεται 3-βρωμοπυριδίνη. Η απόδοση είναι χαμηλότερη για την παραγωγή 3-χλωροπυριδίνης, κατά τη χλωρίωση πυριδίνης με διχλώριο (Cl₂), παρουσία χλωριούχου αργιλίου (AlCl₃), στους 00 °C. Και οι δυο 2-αλοπυριδίνες (2-βρωμοπυριδίνη και 2-χλωροπυριδίνη) μπορούν να παραχθούν και με άμεση επίδραση του αντίστοιχου αλογόνου σε πυριδίνη, παρουσία διχλωριοχου παλλαδίου (PdCl₂), ως καταλύτη.

Πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις

Σε αντίθεση με το βενζόλιο, η πυριδίνη υποστηρίζει αποτελεσματικά διάφορες πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι η σχετικά χαμηλότερη ηλεκτρονιακή πυκνότητα γύρω από τα άτομα άνθρακα του δακτυλίου της πυριδίνης. Οι αντιδράσεις αυτές περιλαμβάνουν υποκαταστάσεις με την αποβολή ανιόντος υδριδίου (H⁻), με τον ενδιάμεσο σχηματισμό διαμόρφωσης αρινίου (Aᵣ⁻), και συνήθως οι υποκαταστάσεις αυτές συμβαίνουν στη #2 ή στη #4 θέση:
Πολλές πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις εμφανίζονται ευκολότερα όχι στη «μητρική» πυριδίνη, αλλά σε «θυγατρικές» πυριδίνες που περιέχουν βρώμιο, χλώριο, φθόριο ή σουλφυδριλική ομάδα, που στη συνέχεια γίνονται καλύτερες αποχωρούσες ομάδες, σε σύγκριση με το ανιόν υδριδίου. ΄Ετσι, το φθόριο είναι η καλύτερη από τις παραπάνω αναφερόμενες αποχωρούσα ομάδα για υποκατάσταση από οργανολιθιακές ενώσεις (RLi). Η πυρηνόφιλη επίδραση μπορεί να γίνει με αλκοξείδια (RO⁻), θειολικά άλατα (RS⁻), αμίνες (RNH₂) και αμμωνία (NH₃), υπό υψηλή πίεση.
Σε γενικές γραμμές, το ανιόν υδριδίου είναι μια φτωχή αποχωρούσα ομάδα και τέτοιες υποκαταστάσεις παρουσιάζονται σε λίγες μόνο ετεροκυκλικές αντιδράσεις. Οι αντιδράσεις αυτές συμπεριλαμβάνουν την αντίδραση Τσιτσιμπαμπίν, που αποδίδει «θυγατρικές» 2-αμινοπυριδίνες. Σε αυτές τις αντιδράσεις χρησιμοποιείται νατραμίδιο (NaNH₂) ως πυρηνόφιλο που αποδίδει 2-αμινοπυριδίνη. Το ανιόν υδριδίου που απελευθερώνεται από αυτήν την αντίδραση συνδυάζεται με ένα πρωτόνιο διαθέσιμο από την αμινομάδα, σχηματίζοντας έτσι μόριο διυδρογόνου.
Ανάλογα με το βενζόλιο, οι πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις σε πυριδίνη μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό των πυριδινίων (Py⁻), όπως τα ετεροαρίνια.
Για το σκοπό αυτό, οι «θυγατρικές» πυριδίνες μπορούν να εξουδετερωθούν, αφήνοντας ομάδες που αποτελούν ισχυρές βάσεις, όπως το τριτοταγές βουτοξείδιο του νατρίου (tBuONa) και το τριτοταγές βουτοξείδιο του καλίου (tBuOK). Η μετέπειτα προσθήκη πυρηνόφιλου στον ενδιάμεσα σχηματιζίμενο τριπλό δεσμό έχει χαμηλή επιλεκτικότητα, και το αποτέλεσμα είναι μείγμα των δύο πιθανών προσμίξεων.

Αντιδράσεις με ρίζες

Η πυριδίνη υποστηρίζει μια σειρά από αντιδράσεις ελευθέρων ριζών, που χρησιμοποιούνται στο διμερισμό της για παραγωγή διπυριδινών. Ο ριζικός διμερισμός της πυριδίνης πραγματοποιείται με στοιχειακό νάτριο ή με νικέλιο Raney, αποδίδοντας επιλεκτικά 4,4΄-διπυριδίνη, ή 2,2'-διπυριδίνη, , που είναι σημαντικά πρόδρομα αντιδραστήρια για τη χημική βιομηχανία. Μια από τις επώνυμες αντιδράσεις που αφορούν τις ελεύθερες ρίζες είναι η αντίδραση Μινίσκι (Minisci reaction). Η τελευταία παράγει 2-τριτοταγες βουτυλοπυριδίνη, μετά από αντίδραση πυριδίνης με πιβαλικό οξύ [(CH₃)₃CCOOH], νιτρικό άργυρο (AgNO₃) και αμμωνίου (NH₄⁺) σε θειικό οξύ, με απόδοση 97%.

Αντιδράσεις σχετικές με το άτομο αζώτου

Τα οξέα κατά Λιούις εύκολα προστίθενται στο άτομο αζώτου της πυριδίνης, σχηματίζοντας πυριδινιωνιακά άλατα. Η αντίδραση με αλκυλαλογονίδια οδηγεί σε αλκυλίωση του ατόμου του αζώτου. Αυτή η αντίδραση δημιουργεί θετικό φορτίο στο πυριδινικό δακτύλιιο, αυξάνοντας τη δραστικότητα της πρώην ουδέτερης πυριδίνης τόσο ως προς την οξείδωση, όσο και ως προς την αναγωγή. Η αντίδραση Ζίνκε (Zincke reaction) χρησιμοποιείται για την επιλεκτική εισαγωγή ριζών σε ενώσεις πυριδινιωνίου.

Αναγωγή με υδρογόνωση

Η αναγωγή της πυριδίνης στην κορεσμένη πιπεριδίνη επιτυγχάνεται μέσω της αντίδρασης της πυριδίνης με αέριο διυδρογόνο,  παρουσία νικελίου Raney. Αυτή η αντίδραση απελευθερώνει 193,8 kJ·mol⁻¹ ενέργειας, που είναι ελαφρώς μικρότερη από την αντίστοιχη ενέργεια υδρογόνωσης του βενζολίου (205.3 kJ·mol⁻¹) σε κυκλοεξάνιο.
Μερικώς υδρογονωμένα παράγωγα που λαμβάνονται κάτω από ηπιότερες συνθήκες. Για παράδειγμα, η αναγωγή με λιθιοαργιλιοϋδρίδιολίθιο (LiAlH₄)  αποδίδει μείγμα 1,4-διυδροπυριδίνης, 1,2-διυδροπυριδινης, και 2,5-διυδροπυριδίνης. 
Η επιλεκτική σύνθεση της 1,4-διυδροπυριδίνης επιτυγχάνεται με την παρουσία οργανομεταλλικών συμπλόκων του μαγνησίου και ψευδάργυρου, και η (Δ3,4)-τετραϋδροπυριδίνη λαμβάνεται μετά από ηλεκτροχημική αναγωγή της πυριδίνης.

Εφαρμογές

Η πυριδίνη είναι μια σημαντική πρόδρομη ύλη για τη χημική βιομηχανία. Το 1989 η ετήσια παγκόσμια παραγωγή της ήταν 26.000 τόνοι, με τις 11 από τις 25 μεγαλύτερες μονάδες παραγωγής της να βρίσκονται στην Ευρώπη, από το 1999. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί πυριδίνης συμπεριλαμβάνουν τις εταιρείες Evonik Industries, Rütgers Chemicals, Imperial Chemical Industries, και Koei Chemical. Η παραγωγή πυριδίνης αυξήθηκε σημαντικά κατά τις αρχές της δεκαετίας του 2000, με ετήσια δυναμικότητα 30.000 τόνων, μόνο στην ηπειρωτική Κίνα. Η αμερικανοκινεζική εταιρεία Vertellus είναι σήμερα ο παγκόσμιος ηγέτης σε παραγωγή πυριδίνης.

Φυτοφάρμακα

Η κύρια εφαρμογή της πυριδίνης είναι ως πρόδρομη ένωση για τα ζιζανιοκτόνα παρακουάτ (paraquat) και ντικουάτ (diquat). Το πρώτο βήμα για τη σύνθεση του εντομοκτόνου χλωροπυρίφος (chlorpyrifos) αποτελείται από τη χλωρίωση της πυριδίνης, σε 3-χλωροπυριδίνη. Η πυριδίνη είναι επίσης η πρόδρομη ένωση για την παραγωγή της πυριθειόνης ( pyrithione), στην οποία βασίζονται μηκυτοκτόνα. Το κετυλπυριδίνιώνιο (cetylpyridinium) και το λαυρυλπυριδινιώνιο (laurylpyridinium), μπορούν να παραχθούν από την πυριδίνη με την παραπάνω αναφερόμενη αντίδραση Ζίνκε. Χρησιμοποιούνται ως αντισηπτικά στόματος σε προϊόντα οδοντιατρικής περίθαλψης. 
Η πυριδίνη επιδράται εύκολα από αλκυλιωτικά μέσα, που μπορούν να δώσουν N-αλκυλοπυριδινιωνικά άλατα. Ένα παράδειγμα τέτοιου άλατος είναι το χλωριούχο κετυλπυριδινιώνιο.

Διαλύτης

Η πυριδίνη χρησιμοποιείται ως πολικός, βασικός, χαμηλής δραστικότητας διαλύτης, για παράδειγμα σε συμπυκνώσεις Κνόεβανγκελ, ενώ είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για απαλογονώσεις, όπου δρα ως βάση για την αντίδραση απόσπασης υδραλογόνων (HX), με τα οποία η πυριδίνη σχηματίζει το αντίστοιχο άλας αλογονούχου πυριδινιώνιου (PyHX). 
Σε εστεροποιήσεις και ακυλιώσεις, η πυριδίνη ενεργοποιεί το χρησιμοποιούμενο καρβοξυλικό οξύ, τα χρησιμοποιούμενα ακυλαλογονίδια ή τους χρησιμοποιούμενους ανυδρίτες οξέων. Ακόμη πιο ενεργές για τέτοιες αντιδράσεις είναι οι «θυγατρικές» πυριδίνες, 4-διμεθυλαμινοπυριδίνη (DiMethylAminoPyridine, DMAP) και 4-(1-πυρρολιδυνο)πυριδίνη. Η πυριδίνη χρησιμοποιήθηκε επίσης ως βάση σε αντιδράσεις συμπύκνωσης.
Η πυριδίνη χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, ως διαλύτης για την παραγωγή χρωστικών και καουτσούκ. Χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, σε βιομηχανίες κλωστοϋφαντουργίας, για τη βελτίωση της χωρητικότητας του δικτύου, σε βαμβάκι. Η πυριδίνη προσθέτεται, ακόμη, σε αιθανόλη, για να την καταστήσει ακατάλληλη για πόση. Προστέθηκε, ακόμη, σε χαμηλές δόσεις σε τρόφιμα, για να τους δώσει πικρή γεύση. Σε τέτοια χρήση έχει εγκριθεί από την Αμερικανική Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων. Το όριο ανίχνευσης για πυριδίνης σε διαλύματα είναι περίπου 1-3 mmol·L⁻¹ (79-237 mg·L⁻¹). Ως βάση, η πυριδίνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αντιδραστήριο Καρλ Φίσχερ (Karl Fischer reagent), αλλά είναι συνήθως για το σκοπό αυτό αντικαθίσταται με εναλλακτικές ενώσεις με λιγότερο δυσάρεστη οσμή, όπως το ιμιδαζόλιο.

Πρόδρομος πιπεριδίνης

Η πιπεριδίνη είναι μια θεμελιώδης αζωτούχα ετεροκυκλική ένωση και σημαντική συνθετική δομική μονάδα. Οι πιπεριδίνες παράγονται με υδρογόνωση των αντίστοιχων πυριδινών με καταλύτες νικέλιο, κοβάλτιο ή ρουθήνιο, σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ειδικά αντιδραστήρια με βάση την πυριδίνη

Το χλωροχρωμικό πυριδινιώνιο {[PyH][CrO₃Cl]} αναπτύχθηκε από τους Ελίας Τζέιμς Κόρεϊ  (Elias James Corey) και Γουΐλλιαμ Σαγκς (William Suggs) το 1975 και χρησιμοποιήθηκε για να οξειδώνει πρωτοταγείς αλκοόλες (RCH₂OH) σε αλδεΰδες (RCHO) και δευτεροταγείς αλκοόλες [R₂CH(OH)] σε κετόνες (R₂CO). Παράγεται με προσθήκη πυριδίνης σε μεικτό διάλυμα χρωμικού οξέος (Η₂CrO₃) και πυκνού υδροχλωρικού οξέος (HCl).
Επειδή το χρωμυλοχλωρίδιο (CrO₂Cl₂) είναι καρκινογόνο, είναι υπό έρευνα εναλλακτικές αντιδραστικές οδοί, όπως η επεξεργασία του τριοξειδίου του χρωμίου (CrO₃) με χλωριούχο πυριδινιώνιο (PyHCl).
To αντιδραστήριο Κομφόρθ (Cornforth reagent, δηλαδή διχρωμικό πυριδινιώνιο, Pyridinium DiChromate, PDC), το χλωροχρωμικό πυριδινιώνιο (Pyridinium ChloroChromate, PCC), το αντιδραστήριο Κόλινς (Collins reagent, που είναι σύμπλοκο πυριδίνης-τριοξειδίου του χρωμίου και διχλωρομεθανίου, διαλυμένο σε πυριδίνη) είναι παρόμοιες ενώσεις του χρωμίου σε σύμπλοκα με πυριδίνη και χρησιμοποιούνται όμοια με το ίδιο το χρώμιο για αντιδράσεις οξςίδωσης, δηλαδή μετατροπής πρωτοταγών αλκοολών σε αλδεΰδες και δευτεροταγών αλκοολών σε κετόνες. Τα αντιδραστήρια Κόλλινς και Σάρρετ είναι τόσο δύσκολα και επικίνδυνα για την προετοιμασία, είναι υγροσκοπικά και μπορούν να διεγερθούν κατά τη διάρκεια της προετοιμασίας. Για το λόγο αυτό, η χρήση των PCC και PDC προτιμάται. Τα αντιδραστήρια αυτά ήταν αρκετά δημοφιλή κατά τις δεκαετίες του 1970 και του 1980, αλλά λόγω της τοξικότητάς τους και της κατάστασης επιβεβαιωμένων καρκινογόνων στην οποιία βρίσκονται, σπάνια χρησιμοποιούνται σήμερα.

Συναρμοτής και βάση κατά Λιούις

Η «μητρική» πυριδίνη χρησιμοποιήθηκε ευρέως ως συναρμοτής στη χημεία συναρμογής, όπως και η «θυγατρική» της 2,2΄-διπυριδίνη (Dpy), που αποτελείται δομικά από δύο (2) μόρια «μητρικής» πυριδίνης που ενώνονται με έναν απλό δεσμό στη θέση #2 και των δύο. Ως συναρμοτής στη χημεία συναρμογής χρησιμοποιήθηκε, επίσης, και η «θυγατρική» τερπυριδίνη [δηλαδή (2,2΄),(6΄,2΄΄)-τριπυριδίνη, Terpy ή Tpy], που αποτελείται δομικά από τρία (3) μόρια «μητρικής» πυριδίνης που ενώνονται με δύο (2) απλούς δεσμούς ενωμένους μεταξύ τους.
Όταν ένα μόριο πυριδίνης γίνει συναρμοτής σε ένα μεταλλικό σύμπλοκο, μπορεί εύκολα να αντικατασταθεί στη συνέχεια από μια ισχυρότερη κατά Λιούις βάση. Αυτό το φαινόμενο αξιοποιείται στην κατάλυση αντιδράσεων πολυμερισμού και στην κατάλυση αντιδράσεων υδρογόνωσης, χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, τον καταλύτη Κράμπτρι (Crabtree). Ο συναρμοτής πυριδίνη αντικαθίσταται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης και αποκαθίσταται μετά την ολοκλήρωσή της. 
Τα χρήσιμα σύμπλοκα πυριδίνης συμπεριλαμβάνουν το πυριδινοβοράνιο (PyBH₃, με θερμοκρασία τήξης 10-11 °C), που είναι ήπιο αναγωγικό μέσο, με βελτιωμένη σταθερότητα σε σύγκριση με το νατριοβοριοϋδρίδιο (NaBH₄) σε πρωτικούς διαλύτες και βελτιωμένη διαλυτότητα σε απρωτικούς οργανικούς διαλύτες. 
Άλλο αξιόλογο σύμπλοκο πυριδίνης είναι το πυριδινο-τριοξείδιο του θείου (PySO₃, με θερμοκρασία τήξης 175 °C), αντιδραστήριο θείωσης που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή αλκοολών σε θειικά άλατα, τα οποία με τη σειρά τους υποβάλλονται σε διάσπαση του δεσμού C-O, και στη συνέχεια αναγωγή με αντιδραστήρια υδριδίων.

Ασφάλεια

Η πυριδίνη έχει ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης μόλις 17 °C και, επομένως, είναι εξαιρετικά εύφλεκτη. Η θερμοκρασία αυτοανάφλεξης είναι 550 °C, και τα μείγματα των 1,7–10,6% κατ' όγκων ατμών πυριδίνης και αέρα είναι εκρηκτικά. Η θερμική τροποποίηση της πυριδίνης, ξεκινά πάνω από 490 °C, με αποτέλεσμα κυρίως 2,2-διπυριδίνη, ενώ σε μικρότερο βαθμό σχηματίζονται 2,3΄-διπυριδίνη, 2,4΄-διπυριδίνη, οξείδια του αζώτου (NOₓ) και μονοξείδιο του άνθρακα (CO). H πυριδίνη διαλύεται εύκολα στο νερό και βλάπτει τόσο τα ζώα όσο και τα φυτά σε υδατικά οικοσυστήματα. Η επιτρεπόμενη μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση της πυριδίνης ήταν 15-30 ppm ή 15-30 mg·m⁻³ στον αέρα, στις περισσότερες χώρες, κατά τη δεκαετία του 1990, αλλά μειώθηκε σε 5 ppm, κατά τη δεκαετία του 2000. Για σύγκριση, εσωτερικός αέρας μολυσμένος με καπνό του τσιγάρου μπορεί να περιέχει μέχρι και 16 μg·m⁻³ πυριδίνης, και ένα τσιγάρο περιέχει 21-32 µg.

Θέματα υγείας

Η πυριδίνη είναι επιβλαβής σε περίπτωση εισπνοής, κατάποσης ή απορρόφησης μέσω του δέρματος. Επιδράσεις της οξείας  δηλητηρίασης από πυριδίνη περιλαμβάνουν ζάλη, πονοκέφαλο, έλλειψη συντονισμού, ναυτία, σιελόρροια, και απώλεια της όρεξης. Μπορεί να εξελιχθεί σε κοιλιακό πόνο, πνευμονική συμφόρηση και απώλεια των αισθήσεων. Ένα άτομο πέθανε μετά από τυχαία κατάποση μισού φλιτζανιού πυριδίνης. Η χαμηλότερη γνωστή θανατηφόρος δόση (LDLo) για την κατάποση πυριδίνης από άνθρωπο είναι 500 mg·kg⁻¹. Σε υψηλές δόσεις, η πυριδίνη έχει ναρκωτική δράση και οι ατμοί της σε συγκεντρώσεις πάνω από 3600 ppm αποτελούν κίνδυνο για την υγεία. Η από του στόματος λήψη  σε αρουραίους LD₅₀ είναι 891 mg·kg⁻¹. Η πυριδίνη είναι εύφλεκτη.
Αξιολογήσεις ως πιθανός καρκινογόνος παράγοντας έδειξαν ότι υπάρχουν ανεπαρκή στοιχεία για καρκινογένεση από πυριδίνη σε στους ανθρώπους, αν και υπάρχουν περιορισμένες ενδείξεις καρκινογόνων επιπτώσεων στα ζώα. Τα διαθέσιμα δεδομένα δείχνουν ότι η «...έκθεση σε πυριδίνη στο πόσιμο νερό οδήγησε σε μείωση της κινητικότητας του σπέρματος σε όλα τα επίπεδα δόσης σε ποντικούς και την αύξηση του κύκλου του οίστρου μήκος στο υψηλότερο επίπεδο δόσης σε αρουραίους...».
Η πυριδίνη μπορεί, επίσης, να προκαλέσει μικρές νευροτοξικές, γονιδιοτοξικές, και κλαστογονικά αποτελέσματα. Η έκθεση σε πυριδίνη θα έπρεπε κανονικά να οδηγήσει σε εισπνοή και απορρόφηση μέσα στους πνεύμονες και στο γαστρεντερικό σωλήνα, όπου είτε παραμένει αμετάβλητη είτε μεταβολίζεται. Τα σημαντικότερα μεταβολικά προϊόντα της πυριδίνης είναι το υδροξείδιο του Ν-μεθυλοπυριδινιωνίου {[PyMe]OH}, που σχηματίζεται από N-μεθυλοτρανσφεράσες (όπως για παράδειγμα η N-μεθυλοτρασφεράση της πυριδίνης), αλλά επίσης σχηματίζονται οι ενώσεις  Ν-οξο-2-υδροξυπυριδίνη, Ν-οξο-3-υδροξυπυριδίνη και Ν-οξο-4-υδροξυπυριδίνη, που δημιουργούνται από τη δράση των μονοοξυγονασών. Στον άνθρωπο, ειδικότερα, η πυριδίνη μεταβολίζεται μόνο σε υδροξείδιο  του Ν-μεθυλοπυριδινιωνίου. Η πυριδίνη αποικοδομείται άμεσα από βακτήρια σε αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα. Η «μητρική» πυριδίνη αποικοδομείται ταχύτερα από «θυγατρικές», όπως οι πικολίνες, οι λουτιδίνες, οι χλωροπυριδίνες και οι αμινοπυριδίνες. 
Μια σειρά από αποικοδομητές πυριδίνης έχει αποδειχθεί ότι υπερπαράγουν ριβοφλαβίνη , παρουσία πυριδίνης. Ιονίσιμες αζωτούχες ετεροκυκλικές ενώσεις, συμπεριλαμβανομένων της πυριδίνης, αλληλεπιδρούν με περιβαλλοντικές επιφάνειες (όπως εδάφη και ιζήματα), μέσω πολλαπλών pH και εξαρτώνται από μηχανισμούς, συμπεριλαμβανομένης της διαμέρισης σε οργανική ύλη εδάφους, ανταλλαγής κατιόντων, και επιφανειακής συμπλοκοποίησης. Η προσρόφηση σε επιφάνειες μειώνει την βιοδιαθεσιμότητα των πυριδινών για μικροβιακή και άλλων οργανισμών αποικοδόμηση, με αποτέλεσμα την επιβράδυνση των ρυθμών αποδόμησής της, και επομένως και των ρυμών μείωσης της οικοτοξικότητας.
Μικρές ποσότητες πυριδίνης απελευθερώνονται στο περιβάλλον από ορισμένες βιομηχανικές διαδικασίες, όπως η παραγωγή χάλυβα, η επεξεργασία του σχιστολιθικού πετρελαίου, η αεριοποίηση άνθρακα, η χρήση οπτάνθρακα και η χρήση φλογοβόλων. Η ατμόσφαιρα στις μονάδες επεξεργασίας σχιστολιθικού πετρελαίου μπορεί να περιέχει πυριδίνης συγκεντρώσεις έως και 13 μg·m⁻³, ενώ επίπεδα  53 μg·m⁻³ μετρήθηκαν στα υπόγεια ύδατα, σε περιοχές βιομηχανικών μονάδων αεριοποίησης του άνθρακα. Σύμφωνα με μια μελέτη από το Εθνικό Ινστιτούτο για την Επαγγελματική Ασφάλεια και την Υγεία (των ΗΠΑ), περίπου 43.000 Αμερικανοί εργάζονται σε χώρους που τους φέρνουν σε επαφή με πυριδίνη.