miniatur|Allgemeine Struktur der Pyridine, die Reste können Alkylgruppen, Halogenatome oder andere Substituenten sein Pyridine sind eine Stoffgruppe der organischen Chemie, deren einfachster Vertreter das Pyridin ist. Bei der Struktur des Pyridins, das als Teilstruktur in den anderen Vertretern vorkommt, ist ein aromatischer Sechsring, der ein Stickstoffatom enthält. Die Pyridine gehören zu den Heterocyclen. Pyridinringe sind eindeutig aromatisch und verhalten sich in vielen Belangen ähnlich wie Benzolringe. Andererseits kommen durch das Stickstoffatom auch einige Unterschiede der Pyridine zu Benzolaromaten zustande, beispielsweise reagieren Pyridine basisch. Bekannt sind Pyridine seit dem 19. Jahrhundert. Eine besonders wichtige Person für die Erforschung der Pyridine war Aleksei Yevgenevich Chichibabin. Die nach ihm benannte Chichibabin-Pyridinsynthese und viele andere Pyridinsynthesen basieren auf der Kondensation verschiedener Carbonylverbindungen mit Ammoniak.
Pyridine spielen eine essentielle Rolle in Lebewesen, da die Vitamine B3 und B6 auf einer Pyridinstruktur basieren. Pyridinringe sind außerdem Bestandteil vieler Alkaloide von Tieren und Pflanzen, darunter Nicotin und die anderen Tabak-Alkaloide. Auch in Industrie und Forschung nehmen Pyridine einen wichtigen Platz ein. Der Grundkörper Pyridin wird jährlich im Millionen-Tonnen-Maßstab verwendet. Pyridin und seine Derivate dienen unter anderem als Lösungsmittel, Basen, Katalysatoren, Komplex-Liganden und Intermediate zur Herstellung anderer Verbindungen. Der Pyridinring ist ein häufiges und wichtiges Strukturelement in pharmazeutischen Wirkstoffen.
Geschichte mini|150px|Thomas Anderson isolierte als erstes das Pyridin und einige seiner Derivate Die Stammverbindung der Stoffgruppe, Pyridin, wurde von Thomas Anderson um 1849 bei der trockenen Destillation von Knochen erhalten. Anderson isolierte auch erstmals die Picoline (Methylpyridine) aus Steinkohlenteer und Knochenöl. Die Struktur des Pyridinrings wurde um 1870 von Wilhelm Körner und James Dewar aufgeklärt. mini|150px|Aleksei Y. Chichibabin entdeckte verschiedene Synthesen und Reaktionen der Pyridine Mit den Reaktionen des Pyridins und der Herstellung seiner Derivate beschäftigte sich Albert Ladenburg. 1899 publizierte er die Umsetzung von Pyridin mit Iodethan bei 290 °C in einer geschlossenen Ampulle, wobei er unter anderem 4-Ethylpyridin erhielt. Eine Schlüsselfigur in der Erforschung der Pyridine war Aleksei Yevgenevich Chichibabin. Er stellte zunächst 2-Benzylpyridin und 4-Benzylpyridin durch die Alkylierung des Pyridins mit Benzylhalogeniden bei hohen Temperaturen. Außerdem stellte er das 3-Benzylpyridin durch Reduktion des 3-Benzoylpyridins mittels Iodwasserstoffsäure her. Ein Meilenstein in diesem Forschungsbereich war die Entwicklung der nach ihm benannten Chichibabin-Pyridinsynthese, über die er erstmals um 1905 publizierte. Dabei wird der Pyridinring aus Ammoniak und Aldehyden aufgebaut; je nach eingesetzten Aldehyden sind unterschiedlich substituierte Vertreter zugänglich. Mit der ebenfalls nach ihm benannten Chichibabin-Reaktion, erstmals publiziert 1914, können Pyridin mit Natriumamid zu 2-Aminopyridin umgesetzt werden sowie Derivate des Pyridins analog zu 2-Aminoverbindungen.
Die biologische Bedeutung von Pyridinen wurde in den 1930er-Jahren entdeckt. Hierzu gehörte die Funktion von Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD) sowie seinem Phosphat (NADP) als Überträger von Wasserstoffatomen in biologischen Systemen. Auch wurde damals entdeckt, dass ein Mangel an Nicotinsäure (Vitamin B3, dem Vorläufer von NAD und NADP) für die Krankheit Pellagra verantwortlich war. Diese war damals weitverbreitet, beispielsweise in den Amerikanischen Südstaaten. Etwa zur gleichen Zeit wurde entdeckt, dass Pyridoxalphosphat und verwandte Verbindungen (Vitamin-B6-Gruppe) als Nährstoff essentiell sind und als Cofaktoren für viele Enzyme dienen.
Vertreter und Eigenschaften Die Stammverbindung Pyridin ist eine farblose, brennbare, gesundheitsschädliche Flüssigkeit. Es weist einen unangenehmen Geruch auf. Mit Wasser und vielen organischen Lösungsmitteln ist es beliebig mischbar.
Alkylpyridine Die drei isomeren Picoline tragen jeweils eine Methylgruppe. Sie sind farblose Flüssigkeiten, sind giftig, brennbar, mit kräftigem, teils unangenehmem Geruch. Sie sind mischbar mit Wasser, Ethanol und Diethylether. Die Lutidine sind Pyridin-Derivate mit zwei Methylgruppen, von denen sechs Isomere existieren. Es handelt ebenfalls um Flüssigkeiten mit ähnlichen Eigenschaften wie die Picoline. Collidine sind Trimethylderivate des Pyridins, die größte Bedeutung hat das 2,4,6-Collidin, das ebenfalls ähnliche Eigenschaften aufweist wie die anderen Methylpyridin-Verbindungen.
Halogenpyridine Von Pyridin sind eine Reihe monohalogenierter Derivate bekannt, die bei Raumtemperatur flüssig sind und schwerer sind als Wasser. Dazu gehören beispielsweise das 2-Fluorpyridin und 3-Fluorpyridin. Die drei isomeren Monochlorpyridine weisen eine Dichte von etwa 1,2 g/cm³ auf. Alle drei Isomere sind farblos, weisen hohe Flammpunkte auf und sind schwer entzündlich. Das 2-Isomer weist die höchste Toxizität auf. Die drei isomeren Monobrompyridine eine Dichte von ca. 1,6 g/cm³. Die höchste Toxizität weist das 2-Brompyridin auf. Beim 2-Iodpyridin beträgt die Dichte über 1,9 g/cm³.
Aromatizität mini|150x150px|Pyridinringe (hier am Beispiel des Grundkörpers) sind planar und aromatisch Pyridin ist strukturell eng verwandt mit Benzol, formal lassen sich die Verbindungen ineinander überführen, indem eine CH-Gruppe gegen ein Stickstoffatom getauscht wird. Demnach haben Pyridine analog zu Benzolderivaten sechs delokalisierte Elektronen und genügen der Hückel-Regel, sind also aromatisch. Die π-Elektronen im Pyridin sind stark delokalisiert. Insgesamt ist es zwar weniger aromatisch als das Benzol, der Unterschied ist aber wenig ausgeprägt im Vergleich zu anderen Analoga wie Phosphabenzol. Durch die vergleichsweise starke Aromatizität des Pyridinrings hat das Substitutionsmuster abgeleiteter Verbindungen nur einen geringen Einfluss auf den aromatischen Charakter, ähnlich wie beim Benzol.
Basizität mini|100px|Pyridine reagieren basisch, durch ihre Protonierung entstehen Pyridinium-Ionen Pyridine sind organische Basen. Die pKS-Werte der protonierten Formen vieler Pyridin-Derivate liegen zwischen 9,5 und 15,5. Vergleichsweise starke Basen sind das 2,3-Diaminopyridin (pKS-Wert der protonierten Form: 15,26) und 2,4,6-Collidin (15,0). Eher schwache Basen sind das 3-Chlorpyridin (9,56) und 2-Methoxypyridin (9,94). Für den Grundkörper Pyridin liegt der Wert mit 12,53 in der Mitte des Bereichs. Ähnlich sind die pKS- Werte beim protonierten 2-Methylpyridin (13,28) und 2,2'-Bipyridin (12,27). Pyridin ist deutlich weniger basisch als das strukturell verwandte aber gesättigte Piperidin.
Nomenklatur Pyridin ist ein Trivialname, der jedoch in die systematische Nomenklatur abgeleiteter Verbindungen übernommen wurde. Pyridin kann als Substituent auftreten, wenn eine andere Einheit einer komplexen Verbindung das Stammsystem bildet. In dem Fall wird der Substituent als Pyridyl benannt und eine Zahl vorangestellt, um anzugeben, über welches Atom der Pyridinring gebunden ist, z. B. 3-Pyridyl.
An Benzol annellierte Pyridinringe werden im Allgemeinen nicht als Pyridine bezeichnet, hier gibt es wiederum systematisch verwendete Trivialnamen. Die Benzopyridine werden, je nach Ring-Anordnung, als Chinoline beziehungsweise Isochinoline bezeichnet.
Vorkommen und biologische Bedeutung
Vitamine
Die Verbindungen der Vitamin-B6-Gruppe enthalten einen Pyridinring. Die eigentlich aktive Verbindung ist das Pyridoxalphosphat. Pyridoxal, sowie Pyridoxin, Pyridoxamin und ihre Phosphate können jedoch leicht in das Pyridoxalphosphat umgewandelt werden. Daher werden alle sechs Verbindungen der Vitamin-B6-Gruppe zugerechnet. Pyridoxalphosphat ist beim Menschen ein Cofaktor für eine enorme Anzahl an biologischen Prozessen. Dazu gehören etwa 140 bekannte enzymatische Reaktionen. Etwa 4 % aller zellulären Enzyme benötigen Pyridoxalphosphat als Cofaktor. Vitamin B6 muss über die Nahrung aufgenommen werden, kommt aber in größeren Mengen in tierischen und pflanzlichen Nahrungsmitteln vor. Zu ersteren gehören Fisch und Leber sowie andere Innereien. Zu den pflanzlichen Quellen gehören unter anderem Kartoffeln, Nüsse, Avocados und Bananen. In pflanzlichen Lebensmitteln liegt vorwiegend die Vitamin-B6-Vorstufe Pyridoxin-5'-glucosid vor. Die Hauptfunktion des Pyridoxalphosphats in den assoziierten Reaktionen ist die Stabilisierung von negativen Ladungen in Aminoverbindungen. Zu diesen Reaktionen gehören Transaminierungen, Decarboxylierungen, sowie verschiedene Substitutions- und Eliminierungsreaktionen.
Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD) ist ebenfalls ein Cofaktor und essentiell für viele Redoxreaktionen in biologischen Reaktionen. Dazu gehört unter anderem der Abbau von Glucose zu Pyruvat während der Glycolyse. Auch für den Citratzyklus wird NAD benötigt. Es wirkt außerdem als Regulator für Transkriptionsfaktoren, beispielsweise für den circadischen Rhythmus.
Alkaloide Alkaloide mit Pyridin-Einheit (Pyridin-Alkaloide) kommen in Insekten, Amphibien und Meerestieren sowie in Pflanzen insgesamt häufig vor. Viele Vertreter kommen in Tabak (Nicotiana tabacum) vor. Dazu gehört das Hauptalkaloid der Pflanze, das Nicotin, aber auch Nornicotin, Anabasin und Anatabin. Weitere Verbindungen der Gruppe kommen in Schnurwürmern vor. In der Gattung Paranemertes kommt das Anabasein vor. In Amphiporus angulatus kommt 2,3'-Bipyridin vor, sowie als Hauptkomponente Nemertellin, das aus vier Pyridin-Einheiten aufgebaut ist. Pyridin-Alkaloide kommen außerdem in der Gattung Feuerameisen (Solenopsis), darunter die rote Feuerameise (Solenopsis invicta) vor. Dazu gehören beispielsweise 2-Methyl-6-undecylpyridin und 2-Methyl-6-tridecylpyridin sowie verwandte Verbindungen mit einer ungesättigten Seitenkette. Das Gift in der Haut des Dreistreifen-Baumsteigers (Epipedobates tricolor) enthält das Pyridin Epibatidin.
Biosynthese Pyridine werden von Lebewesen über verschiedene Biosynthesewege gebildet, die von Aminosäuren ausgehen. In Bakterien wird Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid über den Aspartat-Weg gebildet. Dabei entsteht zunächst der Pyridinring in Form von Chinolinsäure aus Asparaginsäure und Glycerinaldehyd-3-phosphat. In Säugetieren und Pilzen entsteht Chinolinsäure beim Abbau von Tryptophan im Kynurenin-Weg. In Pflanzen, speziell einkeimblättrigen Pflanzen (beispielsweise Reis), kommen beide Varianten vor. Zweikeimblättrige Pflanzen (beispielsweise Acker-Schmalwand) verfügen nur über den Aspartat-Weg. Nicotin und verwandte Alkaloide im Tabak entstehen ebenfalls über eine Abzweigung im Biosyntheseweg des NAD.
Auch Pyridoxalphosphat und die verwandten Vitamin-B6-Verbindungen werden über zwei verschiedene Biosynthesewege gebildet. In Escherichia coli und einigen anderen Bakterien geht die Biosynthese von Desoxyxylulose 5-phosphat aus, das mit 1-Amino-3-hydroxyacetonphosphat zu Pyridoxinphosphat kondensiert wird. Der andere Biosyntheseweg kommt in allen Reichen des Lebens vor. Dabei werden Ribose-5-phosphat, Glutamin und Glycerinaldehyd-3-phosphat direkt zu Pyridoxalphosphat kondensiert.
Herstellung
Chichibabin-Synthese Bei der Chichibabin-Pyridinsynthese werden ein Molekül Ammoniak und drei Aldehyd-Moleküle kondensiert. Je nach Struktur der eingesetzten Aldehyde ergeben sich verschieden substituierte Pyridine. Statt Ammoniak wird oft ein Syntheseäquivalent wie Ammoniumacetat verwendet. Die Reaktion wird bei hohen Temperaturen durchgeführt, entweder in wässriger Lösung in einer geschlossenen Ampulle oder durch Überleiten der gasförmigen Reaktanten über einen festen Katalysator (beispielsweise Aluminiumoxid). zentriert|rahmenlos|400px|Chichibabin-Synthese eines Pyridins aus drei Aldehyd-Molekülen und Ammoniak, mit Aluminiumoxid als Katalysator