Химия нитропроизводных пиридина. Сообщение 2. Закономерности нитрования гидроксипроизводных пиридина

И. Ф. Фаляхов, Р. З. Гильманов, Ф. Г. Хайрутдинов,

Т. Г. Большакова, З. Г. Ахтямова, В. Г. Никитин

ХИМИЯ НИТРОПРОИЗВОДНЫХ ПИРИДИНА.

СООБЩЕНИЕ 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НИТРОВАНИЯ

ГИДРОКСИПРОИЗВОДНЫХ ПИРИДИНА

Ключевые слова: пиридин, таутамерия, гидроксипроизводные, нитропроизводные

пиридина, нитрование.

Изучены закономерности нитрования гидроксипроизводных пиридина в зависимости от среды нитрования. Показано, что 2-гидроксипроизводные пиридина в зависимости от среды могут существовать в гидрокси или кето-форме. Представлен материал по нитрованию гидроксипроизводных пиридина, который содержит новые подходы и методы и может быть полезен химикам-органикам при синтезе новых оригинальных продуктов.

Keywords: pyridine, tautameriya, hydroxy, nitro derivatives of pyridine, nitration.

The regularity of the nitration of pyridine hydroxy derivatives depending on the environment nitration. It is shown that 2-hydroxy pyridine, depending on the environment can exist in the hydroxy or keto form. The material on nitration hydroxy derivatives of pyridine, which contains new approaches and methods, and may be useful for organic chemist in the synthesis of new original products.

Гидрокси- и алкоксигруппы за счет положительного эффекта сопряжения значительно облегчают электрофильное замещение пиридинового ядра. В отличие от пиридина нитрование их осуществляется в более мягких условиях и с высокими выходами нитропроизводных. Для гидроксипиридинов свойственна кето-енольная таутомерия. В зависимости от положения гидроксигруппы и характера среды (2- и 4- гидроксипиридины) могут существовать в гидрокси- или пиридонной форме:

oh

окси-форма кетонная форма

Для 3-гидроксипиридина такая таутамерия невозможна.

Реагирующая форма гидроксипиридина оказывает существенное влияние на реакционную способность молекулы при электрофильном замещении. Впервые о возможности существования 2-и 4-гидроксипиридинов в пиридонной форме было высказано русским химиком Чичибабиным в 1921 году[1].

Изучению закономерностей нитрования 2-гидроксипиридина посвящен ряд работ. Так Фишер [2] при нитровании 2-гидроксипиридина серно-азотной кислотной смесью при

50°С выделил 2-гидрокси-3- и 5-нитропиридины (соотношение изомеров автор не исследовал):

нш3

^^/N02 02к

И2804

+

N ОН

Позднее А.Е. Чичибабин показал [1], что при нитровании 2-гидроксипиридина азотной кислотой в среде серной кислоты преимущественно образуется 2-гидрокси-3-нитропиридин наряду с небольшим количеством 2-гидрокси-5-нитропиридина. Направление замещения зависит от условий нитрования, причем определяющими являются три фактора: концентрация реагентов, температура и кислотность среды. Соответствующий подбор условий реакции позволяет регулировать направление замещения. Так, при высоких температурах большой концентрации субстрата и при использовании разбавленной серной кислоты преимущественно образуется 3-нитроизомер с выходом 75-85%

иш3

^^/N02 02^

\^\0Н 50%, И2Б04, 80оС

^ 0Н

85%

+

N

15%

'0Н

При низких температурах и малой концентрации субстрата в среде концентрированной серной кислоты образуется 5-нитроизомер с выходом 60-75%.

Интересные данные получены нами при нитровании 2-гироксипиридина азотной кислотой в уксусном ангидриде при 0оС [3]. При этом был выделен 1-нитропиридон-2, который на воздухе или при нагревании перегруппировывается в 3-нитро-2-оксипиридин:

нш3

^^0 (СН3С0)20, 0оС

Ч^0

I

N09

"СЬ'' "' 2

-=---------

Наличие нитрогруппы в пиридиновом кольце не препятствует дальнейшему замещению в 2-гидроксипиридине. Так, при нитровании 2-гидрокси-3- и -5-нитропиридинов кипящей азотной кислотой или смесью азотной кислоты с олеумом (40%-Б03) образуется 3,5-динитро-2-гидроксипиридин с выходом 28% [3]:

НШ

3

40% Б03, 60оС

N0,

Ч^0Н

В качестве препаративного метода получения 2-гидроки-3,5-динитропиридина предложена реакция нитрования 2-гидроксипиридина азотной кислотой в олеуме (27%-Б03) при 80оС, выход продукта достигает 83% [4]. К сожалению, дефицитность 2-гидроксипиридина и применение высокопроцентного олеума ограничивают использование данного метода.

Нами разработан удобный метод получения 2-гидроки-3,5-динитропиридина нитрованием доступного 2-аминопиридина концентрированной азотной кислотой при 75-85оС в течение трех часов. При этом с выходом 80% образуется 2-гидроки-3,5-динитропиридин [5]. Использование в реакции азотнокислой соли 2-аминапиридина позволяет уменьшить окислительные процессы и повысить выход 2-гидроки-3,5-динитропиридина до 85%. Авторами предлагается следующая схема протекания процесса:

НЫ03

75-80оС

/А

^ КН2

Нами специально были синтезированы указанные промежуточные продукты и обработаны азотной кислотой при 75-80оС. Во всех случаях был выделен 2-гидроки-3,5-динитропиридин.

Таковы закономерности нитрования 2-гидроксипиридина.

Значительно легче в реакцию нитрования вступает 3-гидроксипиридин, причем нитрогруппа преимущественно направляется в положение 2 [6].

^Ч^0Н

НШ

3

N

Н2Б04

Присутствие нитрогруппы в цикле не препятствует дальнейшему нитрованию 3-гидроксипиридина. При обработке 3-гидрокси-2-нитропиридина концентрированной ки-

слотой в уксусном ангидриде при 30-50оС получается смесь 2,6-ди- и 2,4,6-тринитропиридина:

NO

^VOH HNO3 ГУ0Н rVOH

----------3-------- +

-^^''N02 (CH3C0)20 02^''-^^'-N02 02I^N^N402

Подробное исследование процесса нитрования 3-гидроксипиридина азотной кислотой в уксусном ангидриде проведенное нами показало, что соотношение ди- и тринитропроизвод-ных зависит от условий проведения нитровании. Можно подобрать такие условия нитрования при которых выход 3-гидрокси-2,4,6-тринитропиридина составляет от 40 до 70% [6].

Экспериментальная часть

Синтез 2-гидроки-3,5-динитропиридина

а) К 50 мл концентрированной азотной кислоты (0=1,5г/см3) при 0-5оС порциями при перемешивании прибавляют 5 г 2-аминопиридина постепенно поднимая температуру до 80-85оС. Реакционную массу выдерживают при этой температуре 2-3 часа и отгоняют избыток азотной кислоты при пониженном давлении. Выпавший осадок перекристаллизовывают из воды. Выход 8 г (82%), Тпл=175-176оС. По данным [1] Тпл=175-176оС.

б) 2-Гидрокис-3,5-динитропиридин получен нитрованием 2-нитроамино-, 2-нитроамин-5(3)-нитро в условиях пункта а). Выход 70-80%, Тпл=174-176оС.

Синтез 3-гидроки-2,4,6-тринитропирида К смеси 37 мл уксусного ангидрида и 18 мл 98%-ной азотной кислоты при температуре 15оС порциями присыпают 10 г (0,07 моль) 3-гидрокипиридина. После окончания дозировки температуру повышают до 30оС и дают выдержку в течение 1 ч. Реакционную массу охлаждают до 20оС, выливают в 300 мл воды и экстрагируют бензолом (100мл х 2). При отгонке бензола выпадают желтые кристаллы 3-гидроки-2,4,6-тринитропирида. Выход 0,7 г (41%), Тпл=120-121оС. ИК-спектр: vs(n02) 1320, 1350; vas(N02) 1540, 1560. УФ-спектр (вода): X max=342 нм, lgs х тах=3,83. ЯМР (ацетон): 5 123 м.д.(5с), 5 149 м.д. (2с,4с,6с), 5 149,5 м.д (3С-ОН).

Литература

1. Чичибабин, А. Е. Нитрование а-пиридина / А. Е. Чичибабин // ЖРФХО. - 1921. - Т 53. - С. 233.

2. Fischer, O. Electrolitic preparation of N-methyl-а- pyridine / 0. Fischer // J. Pract. Chem. - 1916. -V.93. - P. 363.

3. Аксельрод, Ю. Н. Электрофильное замещение в ряду шестичленных азот содержащих гетероциклических соединений и их N-окисей / Ю. Н. Аксельрод, О. М. Березовский // Успехи химии. -1970. - Т.30. - С.1337-1348.

4. Башкир, Э. А. 2-Хлор-3,5-динитропиридин. Методы получения химических реактивов и препаратов / Э. А. Башкир. - М.: Вып. 23. - 1971.- 150 с.

5. А. с. 525309 СССР. Способ получения 2-окси-3,5-динитропиридина / Г. П. Шарнин, И. Ф. Фа-ляхов, Р. М. Гайнутдинов (СССР).

6. Фаляхов, И. Ф. Поведение функциональных производных пиридина в реакции нитрования / И. Ф. Фаляхов, Г. П. Шарнин, Р. З. Гильманов, Ф. Г. Хайрутдинов, Т. Н. Собачкина, А. В. Князев // РХЖ. - 1997. - Т. XLI. - С. 24-33.

© И. Ф. Фаляхов - д-р хим. наук, проф. каф. химии технологии органических соединении азота КГТУ, falyahov.inil@yandex.ru; Р. З. Гильманов - д-р хим. наук, профессор той же кафедры; Ф. Г. Хайрутдинов - канд. хим. наук, доцент той же кафедры; Г. П. Шарнин - д-р хим. наук, профессор той же кафедры; Т. Г. Большакова - сотр. КГТУ; З. Г. Ахтямова - канд. хим. наук, асс. той же кафедры; В. Г Никитин - канд. хим. наук, доцент той же кафедры.