吡啶,是一种有机化合物,化学式C5H5N,是含有一个氮杂原子的六元杂环化合物。可以看做苯分子中的一个(CH)被N取代的化合物,故又称氮苯,无色或微黄色液体,有恶臭。吡啶及其同系物存在于骨焦油、煤焦油、煤气、页岩油、石油中。吡啶在工业上可用作变性剂、助染剂,以及合成一系列产品(包括药品、消毒剂、染料等)的原料。
物理性质
分子结构数据
计算化学数据
化学性质
吡啶及其衍生物比苯稳定,其反应性与
硝基苯类似。典型的芳香族
亲电取代反应发生在3、5位上,但反应性比苯低,一般不易发生
硝化、
卤化、
磺化等反应。吡啶是一个弱的三级胺,在乙醇溶液内,能与多种酸(
苦味酸或
高氯酸等)形成不溶于水的盐。工业上使用的吡啶,约含1%的
2-甲基吡啶,因此可以利用成盐性质的差别,把它和它的同系物分离。吡啶还能与多种金属离子形成结晶形的络合物。吡啶比苯容易还原,如在金属钠和乙醇的作用下还原成
六氢吡啶(或称哌啶)。吡啶与过氧化氢反应,易被氧化成
N-氧化吡啶。
芳香性
吡啶的结构与苯非常相似,近代物理方法测得,吡啶分子中的碳碳键长为139pm,介于C-N单键 (147pm)和C=N双键(128pm)之间,而且其碳碳键与碳氮键的键长数值也相近,键角约为120°,这说明吡啶环上键的平均化程度较高,但没有苯完全。
吡啶环上的碳原子和氮原子均以sp2杂化轨道相互重叠形成
σ键,构成一个平面六元环。每个原子上有一个
p轨道垂直于环平面,每个p轨道中有一个电子,这些p轨道侧面重叠形成一个封闭的
大π键,
π电子数目为6,符合4n+2规则,与苯环类似。因此,吡啶具有一定的
芳香性。氮原子上还有一个sp2杂化轨道没有参与成键,被一对
孤对电子所占据,使吡啶具有碱性。吡啶环上的氮原子的电负性较大,对环上电子云密度分布有很大影响,使π电子云向氮原子上偏移,在氮原子周围电子云密度高,而环的其他部分电子云密度降低,尤其是邻、对位上降低显著。所以吡啶的芳香性比苯差。
在吡啶分子中,氮原子的作用类似于
硝基苯的硝基,使其邻、对位上的电子云密度比苯环降低,间位则与苯环相近,这样,环上碳原子的电子云密度远远少于苯,因此象吡啶这类芳杂环又被称为“缺π”杂环。这类杂环表现在化学性质上是
亲电取代反应变难,
亲核取代反应变易,氧化反应变难,还原反应变易。
碱性和成盐
吡啶氮原子上的未共用电子对可接受质子而显碱性。吡啶的共轭酸(N原子上接受一个质子后的吡啶)的pKa为5.25,比氨(pKa9.24)和
脂肪胺(pKa 10~11)的酸性更强(pKa越小酸性越强)。原因是吡啶中氮原子上的未共用电子对处于sp2杂化轨道中,其s轨道成分较sp3杂化轨道多,离
原子核近,电子受核的束缚较强,给出电子的倾向较小,因而与质子结合较难,碱性较弱。但吡啶与芳胺(如
苯胺,pKa 4.6)相比,碱性稍强一些。
吡啶与强酸可以形成稳定的盐,某些结晶型盐可以用于分离、鉴定及精制工作中。吡啶的碱性在许多
化学反应中用于催化剂脱酸剂,由于吡啶在水中和有机溶剂中的良好溶解性,所以它的
催化作用常常是一些
无机碱无法达到的。
吡啶不但可与强酸成盐,还可以与路易斯酸成盐。
此外,吡啶还具有叔胺的某些性质,可与
卤代烃反应生成季铵盐,也可与酰卤反应成盐。
亲电取代反应
吡啶是“缺π”杂环,环上电子云密度比苯低,因此其亲电取代反应的活性也比苯低,与硝基苯相当。由于环上氮原子的
钝化作用,使亲电取代反应的条件比较苛刻,且产率较低,取代基主要进入3(β)位。
与苯相比,吡啶环亲电取代反应变难,而且取代基主要进入3(β)位,可以通过中间体的相对稳定性来说明这一作用。
由于吸电性氮原子的存在,中间体正离子都不如苯取代的相应中间体稳定,所以,吡啶的亲电取代反应比苯难。比较
亲电试剂进攻的位置可以看出,当进攻2(α)位和4(γ)位时,形成的
中间体有一个共振极限式是正电荷在电负性较大的氮原子上,这种极限式极不稳定,而3(β)位取代的中间体没有这个极不稳定的极限式存在,其中间体要比进攻2位和4位的中间体稳定。所以,3位的取代产物容易生成。
亲核取代反应
由于吡啶环上氮原子的吸电子作用,环上碳原子的电子云密度降低,尤其在2位和4位上的电子云密度更低,因而环上的亲核取代反应容易发生,取代反应主要发生在2位和4位上。
吡啶与氨基钠反应生成
2-氨基吡啶的反应称为
齐齐巴宾反应,如果2位已经被占据,则反应发生4位,得到
4-氨基吡啶,但产率低。如果在吡啶环的α位或γ位存在着较好的
离去基团(如
卤素、硝基)时,则很容易发生
亲核取代反应。如吡啶可以与氨(或胺)、烷氧化物、水等较弱的
亲核试剂发生亲核取代反应。
氧化还原反应
由于吡啶环上的
电子云密度低,一般不易被氧化,尤其在酸性条件下,吡啶成盐后氮原子上带有正电荷,吸电子的诱导效应加强,使环上电子云密度更低,更增加了对氧化剂的稳定性。当吡啶环带有侧链时,则发生侧链的氧化反应。
吡啶在特殊氧化条件下可发生类似
叔胺的氧化反应,生成N-氧化物。例如吡啶与
过氧酸或过氧化氢作用时,可得到吡啶N-氧化物。
吡啶N-氧化物可以还原脱去氧。在吡啶N-氧化物中,
氧原子上的未共用电子对可与芳香大π键发生供电子的p-π共轭作用,使环上电子云密度升高,其中α位和γ位增加显著,使吡啶环
亲电取代反应容易发生。又由于生成吡啶N-氧化物后,氮原子上带有正电荷,吸电子的
诱导效应增加,使α位的电子云密度有所降低,因此,亲电取代反应主要发生在4(γ)上。同时,吡啶N-氧化物也容易发生亲核取代反应。
与
氧化反应相反,吡啶环比苯环容易发生加氢还原反应,用催化加氢和化学试剂都可以还原。
吡啶的
还原产物为
六氢吡啶(哌啶),具有仲胺的性质,碱性比吡啶强(pKa=11.2),沸点106℃。很多天然产物具有此环系,是常用的
有机碱。
光谱性质
1、吡啶的
红外光谱(IR):芳杂环化合物的红外光谱与苯系化合物类似,在3070~3020cm-1处有C-H伸缩振动,在1600~1500cm-1有芳环的伸缩振动(骨架谱带),在900~700cm-1处还有芳氢的面外弯曲振动。
2、吡啶的
核磁共振氢谱(HNMR):吡啶的氢核化学位移与苯环氢(δ7.27)相比处于低场,化学位移大于7.27,其中与杂原子相邻碳上的氢的吸收峰更偏于低场。当杂环上连有供电子基团时,化学位移向高场移动,
取代基为吸电性时,则化学位移向低场移动。
3、吡啶的紫外吸收光谱(UV):吡啶有两条紫外光谱吸收带,一条在240~260nm(ε=2000),相应于π→π*跃迁(与苯相近)。另一条在270nm的区域,相应于n→π*跃迁(ε=450)。
毒理学数据
毒性:属低毒类。
中毒症状:主要有恶心、疲劳、食欲缺乏,一些急性中毒事件中表现为精神崩溃。吡啶中毒引起死亡的事件比较少。
急性毒性:LD50 :1580mg/kg(大鼠经口);1121mg/kg(兔经皮);人吸入25mg/m3×20分钟,对眼结膜和上呼吸道粘膜有刺激作用。
毒性:大鼠吸入32.3mg/m3 ×7小时/日×5日/周×6月,肝重量系数增加;人吸入20~40mg/m3(长期);神衰、步态不稳、手指震颤、血压偏低、多汗,个别肝肾有影响。
应用
用于制造维生素、磺胺类药、杀虫剂及塑料等;也可作为碱性溶剂使用,也是脱酸剂和酰化反应的优良溶剂;也可用作聚合反应、氧化反应、丙烯腈的羰基化反应等的催化剂;还可以用作硅橡胶稳定剂,阴离子交换膜的原料等。
健康危害
侵入途径:吸入、食入、经皮吸收。
健康危害:有强烈刺激性;能麻醉中枢神经系统。对眼及上呼吸道有刺激作用。高浓度吸入后,轻者有欣快或窒息感,继之出现抑郁、肌无力、呕吐;重者意识丧失、大小便失禁、强直性痉挛、血压下降。误服可致死。
慢性影响:长期吸入出现头晕、头痛、失眠、步态不稳及消化道功能紊乱。可发生肝肾损害。可引起皮炎。
燃爆危险:本品易燃,具强刺激性。
危险特性;其蒸气与空气可形成爆炸性混合物,遇明火、高热极易燃烧爆炸。与氧化剂接触猛烈反应。高温时分解,释出剧毒的氮氧化物气体。与硫酸、硝酸、铬酸、发烟硫酸、氯磺酸、顺丁烯二酸酐、高氯酸银等剧烈反应,有爆炸危险。流速过快,容易产生和积聚静电。其蒸气比空气重,能在较低处扩散到相当远的地方,遇火源会着火回燃。若遇高热,容器内压增大,有开裂和爆炸的危险。
燃烧(分解)产物:一氧化碳、二氧化碳、氧化氮。
应急处理
灭火方法
消防人员必须佩戴过滤式防毒面具(全面罩)或隔离式呼吸器、穿全身防火防毒服,在上风向灭火。尽可能将容器从火场移至空旷处。喷水保持火场容器冷却,直至灭火结束。处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音,必须马上撤离。灭火剂:雾状水、泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。禁止使用酸碱灭火剂。
泄露应急处理
迅速撤离泄漏污染区人员至安全区,并进行隔离,严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器,穿防毒服。尽可能切断泄漏源。防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。
小量泄漏:用砂土、干燥石灰或苏打灰混合。也可以用大量水冲洗,洗水稀释后放入废水系统。
大量泄漏:构筑围堤或挖坑收容。用泵转移至槽车或专用收集器内,回收或运至废物处理场所处置。
安全信息