5. Pyridin

5.1 Pyridin ist ein Aromat

Pyridin ist einer der bekanntesten Vertreter der sechsgliedrigen aromatischen Heterocyclen; hier noch einmal das Bild von der Vorseite mit Pyridin und Pyroll:

Pyridin und Pyrrol nach dem Orbitalmodell
Autor: Ulrich Helmich 12/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Wieso Pyridin ein Aromat ist, hatten wir bereits auf der vorherigen Seite geklärt. Auf dieser Seite wollen wir uns mit zwei anderen wichtigen Aspekten beschäftigen, nämlich der Synthese von Pyridin und vor allem den Reaktionen des Pyridins.

5.2 Herstellung von Pyridin

Zwar kommt Pyridin im Steinkohlenteer vor, allerdings nur zu einem winzigen Prozentsatz (0,!%), und die Gewinnung der Verbindung aus dem Teer ist recht aufwändig und teuer. Daher wird heute das meiste Pyridin synthetisch hergestellt.

In der Industrie sind vor allem zwei Syntheseverfahren verbreitet:

1. Die Tschitschibabin-Synthese aus Ethanal, Methanal und Ammoniak
2. Die Bönnemann-Synthese aus Ethin und Cyanwasserstoff

5.3 Reaktionen des Pyridins

5.3.1 Elektrophile Substitution

Pyridin kann sowohl elektrophile wie auch nucleophile Substitutionen eingehen. Die Nitrierung mit KNO₃/H₂SO₄ bei 300 ºC führt zu 3-Nitropyridin als Hauptprodukt, die Sulfonierung mit H₂SO₄ bei 350 ºC zu 3-Pyridinsulfonsäure. Auch die Halogenierung gelingt, ebenfalls mit dem 3-Halogenpyridin als Hauptprodukt. Friedel-Crafts-Alkylierungen und -Acylierungen dagegen finden nicht statt.

Allgemein ist Pyridin weniger reaktionsfreudig gegenüber Elektrophilen, da das N-Atom die Elektronendichte im Pyridinring reduziert. Während bei Pyrrol der Stickstoff sein freies Elektronenpaar dem aromatischen System zur Verfügung stellt, beteiligt sich das N-Atom im Pyridin nur mit einem Elektron an dem aromatischen System. Das freie Elektronenpaar ist nach außen gerichtet und macht das Pyridin-Molekül zu einer Lewis-Base.

Orientierung bei der S_E von Pyridin

Vergleichen wir einmal die verschiedenen sigma-Komplexe, die bei der Anlagerung eines Elektrophils beim Pyridin auftreten können:

Grenzstrukturen verschiedener Pyridin-sigma-Komplexe
Autor: Ulrich Helmich 01/2024, Lizenz: siehe Seitenende

Beim Angriff eines Elektrophils in 2- oder 4-Stellung gibt es Grenzstrukturen mit einem positiv geladenem N-Atom. Bei einem Angriff in 3-Stellung gibt es zwar mehrere Grenzstrukturen, aber keine Grenzstruktur mit einem positiv geladenen N-Atom. Aus diesem Grund wird die 3-Stellung (meta-Stellung) bei der elektrophilen Substitution bevorzugt.

5.3.2 Elektrophile Substitution an Pyridin-Derivaten

Das N-Atom im Pyridin vermindert die Elektronendichte im Ring und macht das Molekül damit weniger reaktiv, was die elektrophile Substitution angeht. Man kann die Elektronendichte allerdings durch elektronenspendende Substituenten wieder erhöhen, und dadurch den Pyridinring angreifbarer für Elektrophile machen.

Nitrierung eines aktivierten Pyridins
Autor: Ulrich Helmich 12/2023, Lizenz: siehe Seitenende

5.3.3 Nucleophile Substitution

Die nucleophile aromatische Substitution verläuft im Prinzip nach dem gleichen Mechanismus wie die elektrophile aromatische Substitution. Vergleichen wir einmal die beiden Mechanismen:

Aromatische S_E und S_N im Vergleich
Autor: Ulrich Helmich 12/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Die hier gezeigte aromatische nucleophile Substitution ist nicht direkt mit dem bekannten S_N1- oder S_N2-Mechanismus zu vergleichen, sondern eher mit dem Mechanismus der aromatischen elektrophilen Substitution.

Bei der elektrophilen aromatischen Substitution (obere Reihe) bildet sich zunächst ein π-Komplex, der sich schnell in einen nicht-aromatischen σ-Komplex umwandelt.

Bei der nucleophilen aromatischen Substitution wird das C-Atom mit dem Nucleofug (hier ein Cl-Atom) direkt vom Nucleophil angegriffen, ein π-Komplex bildet sich (in der Regel) nicht.

Genau wie bei der S_E wird auch bei der S_N die sp²-Hybridisierung des angegriffenen C-Atoms aufgehoben, damit ist das Molekül nicht mehr aromatisch.

Bei der S_E erfolgt die Wiederherstellung des aromatischen Zustands durch Abspaltung eines Protons, bei der S_N wird dagegen das Nucleofug abgespalten, das als Substituent an dem aromatischen Ring saß.

Mit der S_N1 oder S_N2 ist diese nucleophile Substitution nicht zu vergleichen, allein wegen der Umhybridisierung und Aufhebung des aromatischen Zustands nicht. Es entsteht auch kein Carbenium-Ion als Zwischenstufe (S_N1), und das Nucleofug wird auch nicht direkt von dem Nucleophil verdrängt (S_N2), sondern es bildet sich ein σ-Komplex als Zwischenprodukt, in dem Nucleofug und Nucleophil beide mit dem C-Atom kovalent verknüpft sind.

5.4 Pyridin als Katalysator

Im Schulunterricht haben Sie wahrscheinlich die Bromierung von Toluol besprochen, vielleicht sogar selbst durchgeführt. Bei dieser Reaktion wird Eisen als Katalysator verwendet. Mit dem Brom bildet das Eisen zunächst Eisenbromid FeBr₃, das dann als Lewis-Säure mit der Lewis-Base Br₂ einen Br-Br-FeBr₃-Komplex bildet. Das "äußere" Eisen-Atom ist dann positiv polarisiert und kann einen pi-Komplex mit dem Benzol bilden. Bei der Bildung des sigma-Komplexes wird das Eisen-Atom als Fe⁺-Kation heterolytisch abgespalten, und zurück bleibt ein FeBr₄^--Komplex.

Eisenbromid spaltet Br₂ heterolytisch
Autor: Ulrich Helmich 12/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Pyridin kann eine vergleichbare Rolle bei der Bromierung von Aromaten spielen. Wie das genau geht, zeigt die folgende Abbildung.

Pyridin spaltet Br₂ heterolytisch
Autor: Ulrich Helmich 12/2023, Lizenz: siehe Seitenende

1. Ein Br₂-Molekül kommt in die Nähe eines Pyridin-Moleküls
2. Das freie Elektronenpaar des N-Atoms macht aus dem unpolaren Br₂-Molekül einen temporären Dipol (induzierter Dipol).
3. Das Br₂-Molekül trennt sich heterolytisch in ein Br-Anion und ein Br-Kation. Das Br-Kation schiebt sich mit seinem leeren Orbital in das doppelt besetzte Orbital des N-Atoms. Es entsteht ein N-Brom-Pyridinium-Kation mit einer kovalenten N-Br-Bindung und einer delokalisierten positiven Ladung.
4. Dieses N-Brom-Pyridinium-Kation kann nun Benzol als Elektrophil angreifen, und zwar mit dem Brom-Atom. Es findet nun eine "normale" elektrophile Substitution statt (mit pi- und sigma-Komplex, die hier nicht eingezeichnet sind), und es entsteht Brom-Benzol. Das Pyridin-Molekül wird wieder freigesetzt und kann eine neue "Runde" starten.

Pyridin wirkt hier wie ein Katalysator, taucht also in der Gesamtgleichnung nicht auf. Ein einziges Pyridin-Molekül kann viele hundert solcher Zyklen durchlaufen. Daher reicht schon eine kleine Menge Pyridin aus, um Brom mit Benzol reagieren zu lassen.