Хінолін

Хінолін (бензо[b]піридин) являє собою конденсовану гетероциклічну систему, що складається з піридинового та бензольного кілець.

Нумерацію атомів у молекулі хіноліну починають з гетероатома, атоми вуглецю в піридин новому циклі позначають літерами α, β та γ.

А. Способи добування

Хінолін вперше було виділено у 1834 р. німецьким хіміком-органіком Ф.Ф.Рунге з продуктів перегонки кам'яновугільної смоли. Кам'яновугільну смолу і тепер використовують для добування хіноліну та деяких його метилпохідних.

Зі способів синтезу хіноліну та його похідних найважливішими є синтез Скраупа та синтез Дебнера-Міллера.

Синтез Скраупа. Реакція ґрунтується на взаємодії аніліну та його заміщених в бензольному ядрі похідних, що мають вільне орто- положення, з гліцерином, концентрованою сірчаною кислотою та окисником при нагріванні. Як окисник частіше використовують нітросполуку, котра відповідає вихідному аміну.

Для добування хіноліну за методом Скраупа нагрівають анілін з гліцерином і концентрованою H₂SО₄ у присутності окисника нітробензолу:

Механізм реакції включає три послідовні стадії. На першій стадії гліцерин під дією концентрованої сірчаної кислоти піддається де­гідратації з утворенням акролеїну.

На другій стадії акролеїн, що утворився, вступає в реакцію з аніліном:

Спочатку відбувається нуклеофільне приєднання аніліну за місцем розриву активованого подвійного вуглець-вуглецевого зв'язку моле­кули акролеїну. Далі 3-анілінопропаналь, який утворився, в кислому середовищі піддається циклізації, перетворюючись при цьому на 1,2-дигідрохінолін. Замикання циклу зумовлене електрофільною ата­кою карбонільною групою орто -положення бензольного кільця.

На третій стадії реакції 1,2-дигідрохінолін окиснюється нітробен­золом у хінолін.

У процесі окиснення нітробензол кількісно відновлюється до аніліну, котрий знову вступає в реакцію за викладеним механізмом.

При використанні в синтезі Скраупа замість аніліну його заміще­них в бензольному ядрі з вільним орто -положенням утворюються похідні хіноліну, що містять замісники в бензольному кільці. Реакція відкрита в 1880 р. австрійським хіміком-органіком З.Х.Скраупом.

Синтез Дебнера-Міллера. Цей спосіб є модифікацією синтезу Скраупа та використовується для добування похідних хіноліну з алкільними замісниками в піридиновому циклі.

Синтез Дебнера-Міллера полягає в нагріванні первинного арома­тичного аміну з альдегідом (здатним до кротонової конденсації) в присутності хлориду цинку (II), хлороводневої або інших кислот. Ме­ханізм цієї реакції подібний до механізму реакції Скраупа. На першій стадії проходить кротонова конденсація двох молекул альдегіду з утворенням α,β-ненасиченого альдегіду, котрий взаємодіє далі з аро­матичним аміном, як і в синтезі Скраупа. Роль окисника виконують азометани С₆Н₅—N=CH—R, які утворюються в процесі реакції.

Реакцію було відкрито в 1881 р. О.Дебнером і В.Міллером.

Б. Фізичні властивості

Хінолін — безбарвна рідина (т. кип. 237 °С), добре змішується з водою, етанолом, діетиловим ефіром та іншими органічними розчин­никами, переганяється з водяною парою.

В. Хімічні властивості

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

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

1. Реакції по гетероатому. Наявність у молекулі хіноліну атома азоту піридинового типу надає сполуці основних властивостей. Як основа хінолін дещо слабший від піридину (рК_ВН+ хіноліну в Н₂О становить 4,94; рК_ВН+ піридину 5,25).

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

2. Реакції електрофільного та нуклеофільного заміщення. Через електроноакцепторний 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.

Реакції електрофільного заміщення в молекулі хіноліну проходять здебільшого в положеннях 5 і 8. Так, при нітруванні нітруючою сумішшю утворюється суміш 5- і 8-нітрохінолінів. сульфування кон­центрованою сірчаною кислотою при 220 °С приводить до утворення 8-хінолінсульфокислоти, а при 300 °С термодинамічно вигіднішої 6-хінолінсульфокислоти (за цих умов 5- і 8-ізомери перегруповуються в 6-ізомер).

В реакції нуклеофільного заміщення хінолін вступає легше, ніж піридин. При цьому, як і в кільці піридину, нуклеофільній атаці піддається переважно положення 2. Так, при дії на хінолін амідом натрію в середовищі рідкого аміаку утворюється 2-амінохінолін згідроксидом калію при 280-300 °С хінолін утворює 2-гідроксихінолін:

3. Реакції відновлення і окислення. Відновлення хіноліну проходить передусім у піридиновому ядрі. При дії більшості відновників з високим виходом утворюється 1,2-дигідрохінолін, у присутності нікелю Ренея хінолін відновлюється воднем до 1,2,3,4-тетрагідрохіноліну Каталітичне гідрування за жорстких умов торкається також бензольного кільця.

Окиснення хіноліну та його гомологів з замісниками в бензоль­ному ядрі дією перманганатом калію в лужному середовищі супро­воджується розщепленням бензольного кільця та приводить до утво­рення 2,3-піридиндикарбонової кислоти (хінолінова кислота).

Аналогічно піридину, в присутності пероксикислот хінолін окиснюється по гетероатому з утворенням N-оксиду:

Г. Найважливіші похідні хіноліну

Хінолінове ядро є структурним фрагментом молекул деяких алка­лоїдів (див. розд. 4.5) та лікарських засобів.

8-Гідроксихінолін. Це безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 75-76 °С) з характерним запахом, малорозчинна у воді, розчинна у хлороформі, діетиловому ефірі та бензолі. 8-Гідроксихінолін добувають нагріванням орто- амінофенолу з гліцерином і сірчаною кислотою в присутності орто -нітрофенолу (синтез Скраупа) або сплавленням 8-хінолінсульфокислоти з лугами.

З іонами багатьох металів (Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Мn²⁺, Со²⁺, Ni²⁺,Сu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ та ін.) 8-гідроксихінолін утворює малорозчинні у воді ком­плекси (хелати).

На цій властивості ґрунтується застосування 8-гідроксихіноліну як аналітичного реагенту.

Ряд похідних 8-гідроксихіноліну використовуються в медичній практиці як протимікробні засоби. До них відносяться такі лікарські препарати, як хінозол, нітроксолін (5-НОК) і ентеросептол:

Вважають, що їх бактерицидна дія викликана зв'язуванням іонів Co²⁺, необхідних для життєдіяльності мікроорганізмів.