Хінолін

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

хімічний факультет

 

 

 

 

 

Фуртас Ірина

(курсова робота)

“Хінолін”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чернівці - 2012

 

План

 

 

 

Вступ

Хімія гетероциклічних сполук є  одним з найважливіших розділів органічної хімії. Гетероциклічними сполуками, відповідно до класичного визначення, варто називати молекули, у цикл яких крім атомів вуглецю входять один або декілька гетероатомів. Найчастіше в якості гетероатомів виступають атоми азоту (N), кисню (O), сірки (S), а також фосфору (P), селен (Se), кремнію (Sі).

Як показали теоретичні й експериментальні дослідження в області гетероциклів, активна роль гетероатомів у циклічній  системі визначається насамперед наявністю  в них неподілених електронних  пар. Особливості хімічної поведінки гетероциклічних сполук залежать від природи взаємодії неподілених електронних пар гетероатомів (або гетероатома) і електронів циклічної системи.

Умовно гетероциклічні сполуки  поділяють на насичені, ненасичені та ароматичні. До насичених можна  віднести циклічні етери (оксид етилену, тетрагідрофуран), циклічні ангідриди (бурштиновий). Їх хімічні властивості майже не відрізняються від властивостей аналогів лінійної будови.

Ненасичені гетероциклічні сполуки, наприклад дигідрофуран, піроліни, дигідропірани, деякою мірою відрізняються від ненасичених сполук з відкритим ланцюгом тим, що для них характерний помітний взаємний вплив подвійного зв’язку та гетероатома при суміжному розташуванні.

Існує також велика і важлива  група ненасичених п’яти- і шестичленних гетероциклів, які проявляють ароматичний характер і підпорядковуються правилу Хюккеля. Такі сполуки умовно класифікують за: кількістю всіх атомів у циклі (три-, чотири-, п’ятичленні тощо); кількістю гетероатомів (один, два тощо); природою гетероатома (одинакові, різні); місцем знаходження гетероатомів в ізольованих або конденсованих циклах.

Історія відкриття та номенклатура

Хінолін був уперше виділений Ф.Рунге 1834р. з кам’яновугільної смоли, в якій містяться також ізохінолін, метилхіноліни:

         

       хінолін       ізохінолін     хінальдин

  (2,3-бензопіридин)                  (2-метилхінолін)

Хінолін також можна називати бензопіридин та 1-азанафтален

Нумерація атомів хінолінового кільця

 

Методи  одержання

1. Синтез хіноліну Скраупа (1880р.)

Основним методом одержання  хіноліну є синтез Скраупа, що полягає  у взаємодії аніліну або заміщених  анілінів із гліцерином, у присутності  сірчаної кислоти й окиснювача, у  якості якого часто використовують нітробензол, м-нітробензолсульфокислоту, а іноді і просто кисень повітря.

На першій стадії гліцерин під дією сірчаної кислоти дегідратується з  утворенням акролеїну. Далі відбувається приєднання аніліну до акролеїну  по типу реакції Михаеля з утворенням основи Шиффа. Після цього відбувається нуклеофільне приєднання аніліну до основи Шиффа з подальшим замиканням гетероциклу і відщепленням 1 моля аніліну. Наступна дегідратація приводить до дигідропохідного хіноліну, а потім окисляється окиснювачем за наявності в реакційному середовищі у хінолін. Використовуваний як окиснювач нітроарен відновлюється у відповідний анілін.

Крім аніліну можна використовувати  толуїдини, нітроаніліни; замість гліцерину  – альдегід або суміш двох альдегідів, які в процесі реакції утворюють  продукт альдольно-кротонової конденсації. Як дегідратуючі агенти використовують концентровану НСl з хлоридом цинку, а як окисник – FeCl₃, SnCl₄, As₂O₅.

2. Синтез хіноліну по Дебнеру-Мілеру

Модифікацією методу Скраупа є  синтез Дебнера-Міллера. У цьому випадку в реакцію з аніліном вводять аліфатичні альдегіди в присутності кислот. Цей метод часто застосовується для одержання хінальдину(2‑метилхіноліну). Він мало чим відрізняється від вищезгаданого синтезу. Принципова відмінність тільки в тому, що тут замість гліцерину берутьс  α, β-ненасичені альдегіди і кетони. Це істотно розширює коло можливості методу при синтезі різних похідних хіноліну, що містять замісники в піридиновому кільці. Даний метод не вимагає застосування нітробензолу, тому що сам альдегід служить окиснювачем (акцептором водню).

При цьому на першій стадії відбувається кротонова конденсація альдегіду  з утворенням α, β‑ненасиченого альдегіду, що далі реагує з аніліном за схемою, приведеною вище. При такому варіанті проведення реакції немає необхідності у використанні додаткового окиснювача, роль якого в цьому випадку виконує вихідний альдегід.

 

3. Конденсація о-амінобензальдегіду з оцтовим альдегідом.

Препаративне значення має взаємодія о-амінобензальдегіду з оцтовим альдегідом у лужному середовищі:

Паралельно реакції одержання  хіноліну проходять реакції альдольно-кротонової конденсації оцтового альдегіду  та утворення основ Шиффа, що в  цілому знижує вихід хіноліну.

4. Синтез похідних хіноліну

1. Синтез хіноліну по Фрідлендеру

Тут здійснюється конденсація о-амінобензальдегіду з ацетальдегідом у присутності NaOH з наступною циклізацією продукту, що утворився.

Оскільки о-ациланіліни важкодоступні, використовують конденсацію  о-нітрокарбонільних попередників з активними метиленовими компонентами з наступним відновлення нітрогрупи.

Фрідлендера синтез, одержання похідних хіноліну конденсацією ароматичних  ортоамінокарбонільних сполук з  речовинами, що містять у молекулі угруповання CH₂C(O), напр.:

Звичайно суміш реагентів в етанолі нагрівають декілька годин у присутності каталітичних NaOH, KOH, K₂CO₃ або піперидину. Реакцію з альдегідами частіше проводять без каталізатора; у деяких випадках (напр., при одержанні 2‑метилхіноліну) найбільші виходи досягаються при використанні кислих каталізаторів під час відсутності розчинника. Реакція не йде з 1,2‑дифенілетаноном, глюкозою і левуліновою кислотою. Виходи коливаються в дуже широких межах (Макс. – 70–80%).

Фрідлендера синтез має найбільше  значення для синтезу хінолінів, заміщених у піридиновому кільці. У випадку несиметричних метилкетонів група CH₃ займає в хіноліні положення 2. У деяких випадках будова продуктів, що утворяться, залежить від умов здійснення реакції, напр.:

Основні побічні продукти – смоли, що утворюються в результаті олігомеризації вихідних продуктів.

Вважається, що фрідлендера синтез включає дві стадії – на першій утвориться основа Шиффа, на другий відбувається замикання циклу (при цьому виділяється H₂O за рахунок карбонільного атома О та атомів H інших компонентів).

Модифікація Борше-Ріда: використання основ Шиффа замість менш стійких о-амінокарбонильних сполук, що особливо зручно при синтезі хінолінів, заміщених у бензольному ядрі., напр.:

2. Синтез хіноліну по Кнорру.

Цей метод включає конденсацію  аніліну з ацетооцтовим ефіром у сильно кислому середовищі (конц.H₂SO₄) при 80–100 °С.

Синтез Кнорра, таким чином, здійснюється в результаті нуклеофільної атаки по складній ефірній групі ефіру β-кетокислоти.

3.  Синтез Конрада-Лимпаха.

На відміну від синтезу Кнорра, тут йде атака нуклеофіла по кетонній групі через утворення проміжного фенаміну (олія, 240–250 °С):

4. Синтез Комба

Синтез Комба — конденсація незаміщеного аніліну з β-дикетоном, що протікає через основу Шиффа та дає хінолін після циклізації в кислому середовищі.

5. Синтез хінолінів по Пфитцингеру.

Тут відбувається конденсація ізатину  або ізатинової кислоти з карбонільним сполуками, що містять β-метиленову групу. Альдегіди звичайно використовують у вигляді оксимів. З несиметричних  кетонів утворюються суміші ізомерних цинхонінових кислот. У метилкетонів, як правило, у конденсацію вступає метильна група. Основний побічний процес – автоконденсація карбонільної сполуки.

Ця хінолінова кислота декарбоксилюється  при нагріванні в хінолін.

Ізохінолін міститься в хіноліновій фракції кам'яновугільної смоли (близько 1%), з якої його здобувають у вигляді солі (гідросульфату).

5. Синтез ізохіноліну

1. Синтез Бішлера-Напіральського.

Одним з поширених способів синтезу ізохіноліну та його похідних є реакція Бішлера-Напіральського (1893 p.), котра ґрунтується на циклізації N‑ацильних похідних (3‑фенілетиламінів у 3,4‑дигідроізохіноліни та дальшому перетворенні останніх на ізохіноліни шляхом каталітичного дегідрування над паладієм на вугіллі. Циклізацію N‑ацильних похідних здійснюють частіше в присутності Р₂О₅ або РОСl₃ в ксилолі.

Протіканню циклізації по Бишлеру-Напиральскому  не перешкоджає і введення в бензольне  кільце електроноакцепторної нітрогрупи, правда вихід продукту циклізації при  цьому помітно знижується (< 10%).

2. Синтез Померанца-Фрича 

Синтез проводять в дві стадії:

1) конденсація аміногрупи по  карбонільній функціональній групі  бензальдегіду (в м’яких умовах ),

2) циклізація під дією сильних  кислот.

 

Властивості хіноліну

Фізичні властивості

Хінолін – стабільна, малорозчинна у воді, рідина з неприємним запахом. Його температура кипіння 237 °С, а плавлення -16 °С.

Хінолін – безбарвна рідина, добре  змішується з водою, етанолом, діетиловим ефіром та іншими органічними розчинниками, переганяється з водяною парою. Має високий показник заломлення світла (1,6262 при 21 °C і λ=589нм). Густина 1,10 г/см³. Хінолін діамагнітний (−86,1•10⁻⁶ см³·моль⁻¹).

Хінолін кристалізується в  моноклінну гратку. Слабкі водневі зв'язки C-H-N і C-H-(π-система).

Довжина зв'язків і кути в молекулі хіноліну

 

Хінолін є ароматичною сполукою. Його молекула має плоску будову та містить замкнену спряжену π-електронну систему з 10π-електронів, яка задовольняє  правилу Хюккеля.

 

Хімічні властивості

За хімічними властивостями  хінолін нагадує піридин. Йому характерні реакції за участю гетероатома, реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення атома гідрогену хінолінового ядра, а також реакції окиснення та відновлення.

Більшість реакцій, характерних для хіноліну та ізохіноліну, аналогічні реакціям піридину. Так само як піридин, хінолін та ізохінолін координують різні електрофіли по атому азоту, протонується органічними і неорганічними кислотами з утворенням кристалічних солей . Взаємодія цих азотовмісних гетероциклів з трифторидом бору, сірчаним ангідридом і іншими кислотами Льюїса супроводжується утворенням комплексних сполук. Алкілювання хіноліну і ізохіноліну приводить до четвертинних солей. Атом азоту вибірково активує циклічну систему до атаки нуклеофілів. Так, реакції хіноліну з нуклеофілами однаково легко протікають по положеннях 2 і 4. У молекулі ізохіноліну найбільш прийнятна атака нуклеофільною частинкою по положенню 1, що призводить до більш стабільного аніону. При приєднанні нуклеофілу в положенні 3 делокалізація негативного заряду за участю атома азоту неможлива без порушення π-електронної ароматичної системи бензолового кільця.

Електрофільне заміщення в хіноліні і ізохіноліні протікає набагато легше, ніж в молекулі піридину. Це пов'язано з тим, що атом азоту (навіть протонований) робить істотно менший вплив на реакційну здатність атомів вуглецю бензольного кільця, в порівнянні з такими в піридині. Реакції електрофільного заміщення дуже зручні для введення заступників в бензолове кільце хіноліну та ізохіноліну. Як і в молекулі нафталену, електрофільна атака переважно по положеннях 5 і 8. При цьому утворюються більш стабільні резонансні структури в порівнянні з катіонами, що утворюються при атаці по положеннях 6 і 7.

Основна відмінність піридину від його бензоаналогів полягає в тому, що для хіноліну та ізохіноліну характерні реакції приєднання по кільцю, що містить гетероатом. Первинна координація електрофіла по атому азоту часто спричиняє за собою приєднання нуклеофіла по сусідньому вуглецевому атому. Нуклеофільна атака бензоаналогів піридину також часто призводить до продукту приєднання, а не заміщення.

1. Реакції по гетероатому.

Наявність у молекулі хіноліну атома  азоту піридинового типу надає сполуці  основних властивостей. Як основа хінолін  дещо слабший від піридину.

За участю гетероатома хінолін, аналогічно піридину, утворює солі з сильними кислотами, алкіл- і ацилгалогенідами:

2. Реакції електрофільного заміщення

Реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення. Через електроно-акцепторний вплив гетероатома в молекулі хіноліну електронна густина зменшена у порівнянні до його бензоаналогу – нафталіну – та розподілена нерівномірно: в піридиновому кільці вона нижче, ніж у бензольному. Тому при дії електрофільними реагентами заміщення переважно іде по бензольному кільцю, а нуклеофільними – по піридиновому.