吡啶（Pyridine）

吡啶（Pyridine）
國立新莊高級中學化學科陳偉民退休教師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

吡啶是一種簡單芳香族雜環有機化合物，其化學式為C₅H₅N，可作為農業化學與藥物化學的前驅物，也是重要的溶劑與試藥。它的結構與苯相似，不過苯的芳香烴六員環上的一個CH基被氮原子取代。吡啶為無色液體，有特殊魚腥味。許多重要的化合物如菸鹼胺（nicotinamides）等分子中均含有吡啶環。

製備與來源
吡啶早期的工業製法是由煤溚中萃取而來，目前是由甲醛、氨和乙醛等原料用合成法製取。

CH₂O + NH₃ + 2 CH₃CHO → C₅H₅N + 3 H₂O + H₂

其中間產物為丙烯醛（acrolein），此一製法又稱奇奇巴賓吡啶合成法（Chichibabin pyridine synthesis）。據估計，在1989年全世界以此法製造的吡啶產量達26,000噸。氨與各類不飽和碳鏈之間的縮合反應，可產生取代基為烷基與芳香烴基的吡啶，其中包括單甲基取代化合物，如甲吡啶（picolines）；二甲基化合物，如二甲吡啶（lutidines）；與三甲基衍生物如三甲吡啶，又稱柯林鹼（collidines）。

為了某些特殊的用途，化學家徹底研究了吡啶骨架的合成法。例如漢滋許吡啶合成法（Hantzsch pyridine synthesis），是一種多成分反應，共使用了甲醛、酮－酯與氮供應劑。克榮克吡啶合成法（Kröhnke pyridine synthesis）則使用1,5-二酮與醋酸銨的醋酸溶液進行縮合反應，再進一步氧化。夏－丹重排反應（Ciamician-Dennstedt Rearrangement）則利用二氯碳烯把吡咯（pyrrole）的環擴充，生成3-氯吡啶。在嘉－斯合成法（Gattermann-Skita synthesis）中，丙烯酸酯鹽與二氯甲胺反應，生成吡啶的衍生物。

反應
作為鹼
在有機反應中，吡啶的性質有時候像三級胺，可進行質子化、烷化、醯化與氮原子的N-氧化；吡啶的性質有時候像芳香烴，進行親核取代。
吡啶的氮原子主要以鹼性的孤電子對展現其特性，因為此一孤電子對未參與芳香族的π系統未定域電子雲，吡啶的化學性質和三級胺一樣，呈現鹼性。吡啶的共軛酸之pKa = 5.21，吡啶與酸反應，形成帶正電的芳香多原子離子，稱為吡啶陽離子（pyridinium）。吡啶陽離子與吡啶的各種鍵長與鍵角幾乎完全相等，而且吡啶陽離子電子數與苯相等。吡啶與對甲苯磺酸反應，生成甲苯磺酸吡啶。

作為N-親核劑與配基
吡啶是良好的親核劑，其施子數（donor number）為33.1，容易受烷化試劑攻擊，產生N-烷基吡啶鹽。例如十六烷吡啶氯即為N-烷基吡啶鹽的一種，是陽離子界面活性劑，廣泛作為消毒劑及抗菌劑。吡啶陽離子鹽類可利用辛克反應（Zincke reaction）製取。吡啶的有用加合物（adduct）包含吡啶硼烷C₅H₅NBH₃（熔點10~11 ℃），是一種溫和還原劑，在質子性溶劑中比NaBH4穩定，在非質子性溶劑中溶解度良好。吡啶－三氧化硫C₅H₅NSO₃（熔點175 ℃）是磺酸化試劑，可將醇轉變為磺酸鹽，醇的磺酸鹽再進一步與氫化試劑進行還原反應，切斷C-O鍵。
在配位化學中，吡啶廣泛作為配基。可作為螯合劑的吡啶衍生物也很重要，2,2’-雙吡啶是兩個吡啶之間以單鍵連接起來而成的分子，而三吡啶則是三個吡啶環連接在一起形成的分子。

環上的親核反應
吡啶的親核芳香族取代發生在C-2與C-4。舉例而言，在奇奇巴賓反應中，吡啶與胺化鈉反應產生2-胺基吡啶。艾默特反應（為紀念Bruno Emmert而命名），在鋁或鎂及氯化汞存在的情況下，吡啶與酮反應，產生2-(2-吡啶)丙-2-醇，也是發生在C-2的位置。

應用
在化學合成的角色
在有機合成中，吡啶是重要的溶劑與試劑，在可努夫拿哥縮合反應（Knoevenagel　condensation）中作為溶劑。它是許多殺蟲劑、除草劑、藥劑、食品調味料、染料、橡膠化學藥劑、接著劑、油漆、火藥與消毒劑的前驅物，其中包含巴拉刈（paraquat）。

當作溶劑
吡啶是廣泛應用的極性但非質子性溶劑，它可與許多溶劑混合，包含己烷與水。氘化吡啶又稱吡啶-d，普遍作為1H核磁共振光譜用的溶劑。