Reaktionsmechanismen

Nucleophile Substitution an Pyridin und Chinolin

Wie Nucleophile Pyridin und Chinolin angreifen, an welchen Positionen das geschieht und wie die Tschitschibabin-Reaktion 2-Aminopyridin liefert.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Tschitschibabin-Reaktion ist die direkte Aminierung von Pyridin mit Amid-Ionen zu 2-Aminopyridin.
  • Reagenzien sind \(\ce{NaNH2}\) oder \(\ce{LiNH2}\), entweder in flüssigem Ammoniak oder in der Wärme.
  • Mechanistisch addiert das Amid-Ion zuerst an die C=N-Bindung, dann wird Hydrid abgespalten und entweicht als \(\ce{H2}\).
  • Die Reaktion ist eine nucleophile aromatische Substitution, ermöglicht durch den π-Mangel des Pyridinrings.
  • Am Chinolin greifen Nucleophile im Pyridinring an C-2 und C-4 an.

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Worum es geht

Pyridin ist ein elektronenarmer Aromat und reagiert daher auch mit Nucleophilen. Das wichtigste Beispiel ist die direkte Aminierung zu 2-Aminopyridin, einem Baustein für Arzneistoffe wie Sulfapyridin.

Tschitschibabin-Reaktion

Die Tschitschibabin-Reaktion führt eine Aminogruppe direkt in den Pyridinring ein. Pyridin reagiert mit Natriumamid zum Natriumsalz des 2-Aminopyridins, dabei entweicht Wasserstoff. Wässrige Aufarbeitung liefert 2-Aminopyridin.

\[\ce{C5H5N + NaNH2 -> C5H4N-NHNa + H2 ^}\]

\[\ce{C5H4N-NHNa + H2O -> C5H4N-NH2 + NaOH}\]

Reaktionsschema von Pyridin mit Natriumamid zu 2-Aminopyridin unter Freisetzung von Wasserstoff.

Tschitschibabin-Reaktion: Aminierung von Pyridin an C-2.

Formal ersetzt das Amid-Ion ein Hydrid-Ion am Ring. Die Reaktion ist also eine nucleophile aromatische Substitution. Sie gelingt, weil der elektronegative Ring-Stickstoff Pyridin zum π-Mangel-Aromaten macht.

Mechanismus

Der Ablauf ähnelt einer Additions-Eliminierung, nur mit Hydrid als Abgangsgruppe.

  1. Addition: Das Amid-Ion greift C-2 an, also die C=N-Bindung. \(\ce{Na+}\) koordiniert dabei am Ring-Stickstoff.
  2. Zwischenstufe: Es entsteht ein anionischer σ-Komplex. Die negative Ladung sitzt auf dem elektronegativen Stickstoff und ist so gut stabilisiert.
  3. Abspaltung: Ein Hydrid-Ion verlässt C-2. Der Ring wird wieder aromatisch.
  4. Wasserstoffbildung: Das Hydrid deprotoniert die Aminogruppe. Es entstehen \(\ce{H2}\) und das Natriumsalz des 2-Aminopyridins.

Mechanismus der Tschitschibabin-Reaktion mit Additionsschritt, anionischer Zwischenstufe und Abspaltung von Hydrid als Wasserstoff.

Mechanismus: Addition an die C=N-Bindung, dann Eliminierung von Hydrid.

Bedingungen und Abgrenzung

Statt \(\ce{NaNH2}\) eignet sich auch \(\ce{LiNH2}\). Man arbeitet in flüssigem Ammoniak oder erhitzt ohne Ammoniak. Hydrid ist eigentlich eine schlechte Abgangsgruppe. Das entweichende Gas \(\ce{H2}\) macht den Schritt aber irreversibel.

🎯 Examensrelevant: Tschitschibabin-Reaktion

Die Umsetzung von Pyridin mit \(\ce{NaNH2}\) oder \(\ce{LiNH2}\) zu 2-Aminopyridin wird im Examen gerne gefragt. Achte auf die Einordnung als nucleophile aromatische Substitution, die mit der Addition an die C=N-Bindung beginnt und an C-2 erfolgt.

Von der klassischen Substitution über den Meisenheimer-Komplex unterscheidet sie sich vor allem im Substrat und in der Abgangsgruppe.

A Tschitschibabin
  • Substrat: unsubstituiertes Pyridin
  • Aktivierung: Ring-Stickstoff
  • Abgangsgruppe: Hydrid, wird zu \(\ce{H2}\)
B Additions-Eliminierung
  • Substrat: Halogenaromat
  • Aktivierung: Nitrogruppen in ortho/para
  • Abgangsgruppe: Halogenid

Nucleophiler Angriff am Chinolin

Am Pyridin greifen Nucleophile bevorzugt C-2 und C-4 an. Nur dann kann die negative Ladung der Zwischenstufe auf den Stickstoff ausweichen. Ein Angriff an C-3 bietet diese Stabilisierung nicht.

Chinolin ist ein Pyridinring mit anelliertem Benzolring (Chinolin als Stoff). Nucleophile greifen den elektronenarmen Pyridinring an, wieder an C-2 und C-4. Mit Natriumamid entsteht so analog 2-Aminochinolin.

Strukturformel von Chinolin mit Markierung der Positionen 2 und 4 für Nucleophile sowie 5 und 8 für Elektrophile.

Chinolin: Nucleophile im Pyridinring, Elektrophile im Benzolring.
💡 Merke

Nucleophile suchen den Stickstoffring (C-2, C-4), Elektrophile weichen in den elektronenreicheren Benzolring aus (C-5, C-8).

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Aussage 1

Pyridin liefert mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak 3-Aminopyridin.

Die Tschitschibabin-Reaktion führt die Aminogruppe an C-2 ein. Es entsteht 2-Aminopyridin, weil nur bei Angriff an C-2 die negative Ladung auf den Stickstoff ausweichen kann.

Aussage 2

Bei der Tschitschibabin-Reaktion addiert das Amid-Ion im ersten Schritt an die C=N-Bindung des Pyridins.

Der Angriff an C-2 ergibt einen anionischen σ-Komplex mit der Ladung am Ring-Stickstoff. Erst danach wird Hydrid abgespalten.

Aussage 3

Nucleophile greifen Chinolin bevorzugt an den Positionen C-2 und C-4 an.

Beide Positionen liegen im elektronenarmen Pyridinring. Elektrophile reagieren dagegen im Benzolring an C-5 und C-8.

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