2-Пиридон — органическое соединение с формулой C 5ЧАС 4NH(O) . Это бесцветное твердое вещество. Хорошо известно, что оно образует водородно-связанные димеры, и это также классический случай соединения, которое существует в виде таутомеров .
Преобладающей формой твердого состояния является 2-пиридон. Это было подтверждено рентгеновской кристаллографией , которая показывает, что водород в твердом состоянии ближе к азоту, чем к кислороду (из-за низкой электронной плотности у водорода точное позиционирование затруднено), и ИК-спектроскопией , которая показывает, что продольная частота C=O присутствует, тогда как частоты OH отсутствуют. [2] [3] [4] [5]
Таутомерия в растворе
Таутомеризация была тщательно изучена. Разница в энергии, по-видимому, очень мала. Неполярные растворители благоприятствуют 2-гидроксипиридину, тогда как полярные растворители, такие как спирты и вода , благоприятствуют 2-пиридону. [1] [6] [7]
Разница энергии для двух таутомеров в газовой фазе была измерена с помощью ИК-спектроскопии и составила от 2,43 до 3,3 кДж / моль для твердого состояния и 8,95 кДж/моль и 8,83 кДж/моль для жидкого состояния. [8] [9] [10]
2-Пиридон и 2-гидроксипиридин могут образовывать димеры с двумя водородными связями. [11]
Агрегация в твердом состоянии
В твердом состоянии димерная форма отсутствует; 2-пиридоны образуют спиральную структуру по водородным связям. Некоторые замещенные 2-пиридоны образуют димер в твердом состоянии, например, 5-метил-3-карбонитрил-2-пиридон. Определение всех этих структур было проведено с помощью рентгеновской кристаллографии . В твердом состоянии водород расположен ближе к азоту, поэтому можно считать правильным называть бесцветные кристаллы в колбе 2-пиридоном. [1] [2] [3] [4] [5]
Агрегация в растворе
В растворе присутствует димерная форма; соотношение димеризации сильно зависит от полярности растворителя. Полярные и протонные растворители взаимодействуют с водородными связями , и образуется больше мономера . Гидрофобные эффекты в неполярных растворителях приводят к преобладанию димера. Соотношение таутомерных форм также зависит от растворителя. Все возможные таутомеры и димеры могут присутствовать и образовывать равновесие, а точное измерение всех констант равновесия в системе крайне затруднительно. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]
Некоторые публикации фокусируются только на одной из двух возможных моделей и пренебрегают влиянием другой. Например, расчет разницы энергий двух таутомеров в неполярном растворе приведет к неверному результату, если большое количество вещества находится на стороне димера в равновесии.
Механизм таутомеризации B
Прямая таутомеризация энергетически невыгодна, но димеризация с последующим двойным переносом протона и диссоциацией димера является самокаталитическим путем от одного таутомера к другому. Протонные растворители также опосредуют перенос протона во время таутомеризации.
Синтез
2-Пирон можно получить реакцией циклизации и преобразовать в 2-пиридон посредством реакции обмена с аммиаком :
Пиридин образует N -оксид с некоторыми окислителями, такими как перекись водорода . Этот пиридин- N -оксид подвергается реакции перегруппировки в 2-пиридон в уксусном ангидриде : [21] [22] [23]
2-пиридон катализирует множество протонзависимых реакций, например, аминолиз эфиров. В некоторых случаях расплавленный 2-пиридон используется в качестве растворителя. 2-пиридон оказывает большое влияние на реакцию активированных эфиров с аминами в неполярном растворителе , что объясняется его таутомеризацией и полезностью в качестве дитопного рецептора. Перенос протона от 2-пиридона и его таутомера был исследован с помощью изотопной маркировки , кинетики и квантово-химических методов. [16] [17] [24]
Координационная химия
2-Пиридон и некоторые производные служат лигандами в координационной химии, обычно как 1,3-мостиковый лиганд, родственный карбоксилату . [18]
В природе
2-пиридон не встречается в природе, но его производное было выделено в качестве кофактора в некоторых гидрогеназах . [19]
Поведение в окружающей среде
2-пиридон быстро разлагается микроорганизмами в почвенной среде, с периодом полураспада менее одной недели. [20] Организмы, способные расти на 2-пиридоне как единственном источнике углерода, азота и энергии, были выделены рядом исследователей. Наиболее широко изученным разрушителем 2-пиридона является грамположительная бактерия Arthrobacter crystallopoietes , [25] член типа Actinomycetota , который включает многочисленные родственные организмы, которые, как было показано, разлагают пиридин или один или несколько алкил-, карбоксил- или гидроксилзамещенных пиридинов. Разложение 2-пиридона обычно инициируется атакой монооксигеназы, в результате чего образуется диол, такой как 2,5-дигидроксипиридин, который метаболизируется через малеаматный путь. Расщепление кольца происходит под действием 2,5-дигидроксипиридинмонооксигеназы, которая также участвует в метаболизме никотиновой кислоты через малеаматный путь. В случае Arthrobacter crystallopoietes по крайней мере часть пути деградации передается через плазмиду. [26] Пиридиндиолы подвергаются химическому преобразованию в растворе с образованием интенсивно окрашенных пигментов. Аналогичные пигменты наблюдались при деградации хинолина , [27] также вследствие преобразования метаболитов, однако желтые пигменты, часто сообщаемые при деградации многих пиридиновых растворителей, таких как незамещенный пиридин или пиколин , обычно являются результатом перепроизводства рибофлавина в присутствии этих растворителей. [28] Вообще говоря, деградация пиридонов, дигидроксипиридинов и пиридинкарбоновых кислот обычно опосредуется оксигеназами, тогда как деградация пиридиновых растворителей часто не опосредована и в некоторых случаях может включать начальный восстановительный этап. [26]
Cox RH, Bothner-By AA (1969). "Протонные магнитно-резонансные спектры таутомерных замещенных пиридинов и их сопряженных кислот". Журнал физической химии . 73 (8): 2465. doi :10.1021/j100842a001.
DW Aksnes (1972). «Эффекты заместителя и растворителя в спектрах протонного магнитного резонанса (ПМР) шести 2-замещенных пиридинов» (PDF) . Acta Chemica Scandinavica . 26 : 2255– 2266. doi :10.3891/acta.chem.scand.26-2255.
Брюгель В. (1962). «Кернрезонансный спектр пиридина». Zeitschrift für Elektrochemie, Berichte der Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie . 66 (2): 159–177 . doi :10.1002/bbpc.19620660211. S2CID 98754100.
Робертс Дж. Д., Фон Оствальден П. В. (1971). «Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Протонные спектры 2-пиридонов». Журнал органической химии . 36 (24): 3792. doi :10.1021/jo00823a029.
5-метил-2-пиридон используется для производства пирфенидона .
Ссылки
^ abc Форлани Л., Кристони Г., Бога К., Тодеско П.Е., Дель Веккьо Э., Сельва С., Монари М. (2002). «Повторное исследование таутомерии некоторых замещенных 2-гидроксипиридинов». Аркивок . XI (11): 198–215 . doi : 10.3998/ark.5550190.0003.b18 . hdl : 2027/spo.5550190.0003.b18 .
^ ab Yang HW, Craven BM (1998). "Плотность заряда 2-пиридона". Acta Crystallogr. B . 54 (6): 912– 920. doi :10.1107/S0108768198006545. PMID 9880899. S2CID 9505447.
^ ab Penfold BR (1953). "Распределение электронов в кристаллическом альфа-пиридоне". Acta Crystallogr . 6 (7): 591– 600. Bibcode :1953AcCry...6..591P. doi : 10.1107/S0365110X5300168X .
^ ab Ohms U., Guth H., Heller E., Dannöhl H., Schweig A. (1984). "Сравнение наблюдаемой и расчетной электронной плотности 2-пиридона, C 5 H 5 NO, уточнение кристаллической структуры при 295 К и 120 К, экспериментальные и теоретические исследования плотности деформации". Z. Kristallogr . 169 : 185–200 . doi :10.1524/zkri.1984.169.14.185. S2CID 97575334.
^ ab Almlöf J., Kvick A., Olovsson I. (1971). «Исследования водородной связи кристаллической структуры межмолекулярного комплекса 2-пиридон-6-хлор-2-гидроксипиридина». Acta Crystallogr. B . 27 (6): 1201– 1208. doi :10.1107/S0567740871003753.
^ Aue DH, Betowski LD, Davidson WR, Bower MT, Beak P (1979). «Основность амидов и имидатов в газовой фазе — оценка констант протомерного равновесия методом основности в газовой фазе». Журнал Американского химического общества . 101 (6): 1361– 1368. doi :10.1021/ja00500a001.
^ Фрэнк Дж., Алан Р. Катритцки (1976). «Таутомерные пиридины. XV. Пиридон-гидроксипиридиновые равновесия в растворителях различной полярности». J Chem Soc Perkin Trans 2 (12): 1428– 1431. doi :10.1039/p29760001428.
^ Браун RS, Це А., Ведерас Дж. К. (1980). «Фотоэлектрически определяемые энергии связывания ядра и прогнозируемые основности газовой фазы для системы 2-гидроксипиридин-2-пиридон». Журнал Американского химического общества . 102 (3): 1174– 1176. doi :10.1021/ja00523a050.
^ Бик П. (1977). «Энергии и алкилирование таутомерных гетероциклических соединений — старые проблемы, новые ответы». Acc. Chem. Res. 10 (5): 186– 192. doi :10.1021/ar50113a006.
^ ab Abdulla HI, El-Bermani MF (2001). "Инфракрасные исследования таутомерии в 2-гидроксипиридине, 2-тиопиридине и 2-аминопиридине". Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия . 57 (13): 2659– 2671. Bibcode :2001AcSpA..57.2659A. doi :10.1016/S1386-1425(01)00455-3. PMID 11765793.
^ ab Hammes GG, Lillford PJ (1970). «Кинетическое и равновесное исследование димеризации водородных связей 2-пиридона в растворителе водородных связей». J. Am. Chem. Soc. 92 (26): 7578– 7585. doi :10.1021/ja00729a012.
^ ab Рыбаков ВР, Буш АА, Бабаев ЭБ, Асланов ЛА (2004). "3-Циано-4,6-диметил-2-пиридон (Пиридон Гуарески)". Acta Crystallogr E. 6 ( 2): o160 – o161 . Bibcode : 2004AcCrE..60O.160R. doi : 10.1107/S1600536803029295.
^ аб И. Гуарески (1896). "Mem. Reale Accad. Sci. Torino II".{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
^ ab Baron, H., Remfry, FGP, Thorpe, JF (1904). "CLXXV.-Образование и реакции имино-соединений. Часть I. Конденсация этилцианоацетата с его натриевым производным". J. Chem. Soc., Trans . 85 : 1726– 1761. doi :10.1039/ct9048501726. Архивировано из оригинала 2020-09-14 . Получено 2020-06-05 .
^ ab Fischer CB, Steininger H., Stephenson DS, Zipse H. (2005). «Катализ аминолиза 4-нитрофенилацетата 2-пиридоном». Журнал физической органической химии . 18 (9): 901– 907. doi :10.1002/poc.914.
^ ab L.-H. Wang, H. Zipse (1996). "Бифункциональный катализ аминолиза эфиров - вычислительное и экспериментальное исследование". Liebigs Ann . 1996 (10): 1501– 1509. doi :10.1002/jlac.199619961003. Архивировано из оригинала 2021-09-01 . Получено 2021-09-01 .
^ ab Rawson JM, Winpenny REP (1995). «Координационная химия 2-пиридонов и их производных». Coordination Chemistry Reviews . 139 (139): 313– 374. doi :10.1016/0010-8545(94)01117-T.
^ ab Shima, S.; Lyon, EJ; Sordel-Klippert, M.; Kauss, M.; Kahnt, J.; Thauer, RK; Steinbach, K.; Xie, X.; Verdier, L. и Griesinger, C., «Выяснение структуры: кофактор гидрогеназы Hmd, свободной от кластеров железа и серы: структура продукта инактивации светом», Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2547-2551.
^ ab Sims, Gerald K., S (1985). "Degradation of Pyridine Derivatives in Soil". Journal of Environmental Quality . 14 (4): 580– 584. Bibcode :1985JEnvQ..14..580S. doi :10.2134/jeq1985.00472425001400040022x. Архивировано из оригинала 2008-08-30.
^ «Пиридин-N-оксид と酸無水物との反應» [Реакция между пиридин-N-оксидом и ангидридом кислоты]. Якугаку Дзасси (на японском языке). 67 ( 3–4 ): 51–52 . 1947. doi : 10.1248/yakushi1947.67.3-4_51 .
^ Ochiai E (1953). «Недавние японские работы по химии пиридин 1-оксида и родственных соединений». Журнал органической химии . 18 (5): 534–551 . doi :10.1021/jo01133a010.
^ Boekelheide V, Lehn WL (1961). «Перегруппировка замещенных N-оксидов пиридина с уксусным ангидридом1.2». Журнал органической химии . 26 (2): 428– 430. doi :10.1021/jo01061a037.
^ Fischer CB, Polborn K., Steininger H., Zipse H. (2004). "Synthesis and Solid-State Structures of Alkyl-Substituted 3-Cyano-2-pyridones" (PDF) . Zeitschrift für Naturforschung . 59 (59b): 1121– 1131. doi :10.1515/znb-2004-1008. S2CID 98273691. Архивировано из оригинала (требуется подписка) 2008-10-30 . Получено 2006-11-07 .
^ Ensign JC, Rittenberg SC (1963). «Кристаллический пигмент, полученный из 2-гидроксипиридина с помощью arthrobacter crystallopoietes n.sp». Архив микробиологии . 47 (2): 137– 153. doi :10.1007/BF00422519. PMID 14106078. S2CID 6389661.
^ ab Sims GK, O'Loughlin E, Crawford R (1989). "Деградация пиридинов в окружающей среде" (PDF) . CRC Critical Reviews in Environmental Control . 19 (4): 309– 340. Bibcode :1989CRvEC..19..309S. doi :10.1080/10643388909388372. Архивировано из оригинала (PDF) 27.05.2010.
^ Oloughlin E, Kehrmeyer S, Sims G (1996). «Изоляция, характеристика и использование субстрата бактерией, разрушающей хинолин». International Biodegraderation & Biodegradation . 38 (2): 107– 118. Bibcode :1996IBiBi..38..107O. doi :10.1016/S0964-8305(96)00032-7.
^ Sims, Gerald K., O (1992). «Производство рибофлавина во время роста Micrococcus luteus на пиридине». Прикладная и экологическая микробиология . 58 (10): 3423– 3425. Bibcode :1992ApEnM..58.3423S. doi :10.1128/AEM.58.10.3423-3425.1992. PMC 183117. PMID 16348793 .
Дальнейшее чтение
Общий
Энгдаль К., Альберг П. (1977). Журнал химических исследований : 340–341 . {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
Bensaude O, Chevrier M, Dubois J (1978). «Лактим-лактамное таутомерное равновесие 2-гидроксипиридинов. 1. Механизм связывания катионов, димеризации и взаимопревращения в апротонных растворителях. Спектроскопическое и температурно-скачковое кинетическое исследование». J. Am. Chem. Soc. 100 (22): 7055– 7066. doi :10.1021/ja00490a046.
Bensaude O, Dreyfus G, Dodin G, Dubois J (1977). «Внутримолекулярный недиссоциативный перенос протона в водных растворах таутомерных гетероциклов: исследование кинетики температурного скачка». J. Am. Chem. Soc. 99 (13): 4438– 4446. doi :10.1021/ja00455a037.
Bensaude O, Chevrier M, Dubois J (1978). «Влияние гидратации на таутомерное равновесие». Tetrahedron Lett. 19 (25): 2221– 2224. doi :10.1016/S0040-4039(01)86850-7.
Hammes GG, Park AC (1969). «Кинетические и термодинамические исследования водородных связей». J. Am. Chem. Soc. 91 (4): 956– 961. doi :10.1021/ja01032a028.
Hammes GG, Spivey HO (1966). «Кинетическое исследование димеризации водородной связи 2-пиридона». J. Am. Chem. Soc. 88 (8): 1621– 1625. doi :10.1021/ja00960a006. PMID 5942979.
Бик П., Ковингтон Дж. Б., Смит С. Г. (1976). «Структурные исследования таутомерных систем: важность ассоциации для 2-гидроксипиридин-2-пиридона и 2-меркаптопиридин-2-тиопиридона». J. Am. Chem. Soc. 98 (25): 8284– 8286. doi :10.1021/ja00441a079.
Бик П., Ковингтон Дж. Б., Уайт Дж. М. (1980). «Количественная модель эффектов растворителя на равновесия гидроксипиридин-пиридон и меркаптопиридин-тиопиридон: корреляция с эффектами поля реакции и водородной связи». J. Org. Chem. 45 (8): 1347– 1353. doi :10.1021/jo01296a001.
Бик П., Ковингтон Дж. Б., Смит С. Г., Уайт Дж. М., Зейглер Дж. М. (1980). «Смещение протомерных равновесий путем самоассоциации: пары изомеров гидроксипиридин-пиридон и меркаптопиридин-тиопиридон». J. Org. Chem. 45 (8): 1354– 1362. doi :10.1021/jo01296a002.
Таутомерия
Vögeli U., von Philipsborn W. (1973). "Исследования структуры N-метил-3-пиридона и 3-гидроксипиридина с помощью спектроскопии C-13 и H-1". Org Magn Reson . 5 (12): 551– 559. doi :10.1002/mrc.1270051202.
Specker H., Gawrosch H. (1942). «Ультрафиолетовое поглощение бензтриаксола, приридона и его солей». Chem. Ber. (75): 1338– 1348. doi :10.1002/cber.19420751115.
Альберт А., Филлипс Дж. Н. (1956). «Константы ионизации гетероциклических веществ, гидроксипроизводных азотистых шестичленных кольцевых соединений». J. Chem. Soc. : 1294– 1304. doi :10.1039/jr9560001294.
Cox RH, Bothner-By A. A (1969). «Протонные магнитно-резонансные спектры таутомерных замещенных пиридинов и их сопряженных кислот». J. Phys. Chem . 73 (8): 2465– 2468. doi :10.1021/j100842a001.
Aksnes DW, Kryvi, Kryvi H, Samuelson O, Sjöstrand E, Svensson S (1972). "Эффекты заместителя и растворителя в спектрах протонного магнитного резонанса (ПМР) 6 2-замещенных пиридинов". Acta Chem. Scand . 26 (26): 2255– 2266. doi : 10.3891/acta.chem.scand.26-2255 .