Хінолін

Хінолі́н — органічна речовина, ароматична гетероциклічна сполука. Молекула складається з двох анельваних ароматичних шестичленних кілець — бензенового та піридинового. Брутто-формула C9H7N. Хінолін може розглядатися як молекула нафталіну у якій один з вуглеців заміщено на азот. Хінолін — безбарвна, гігроскопічна рідина.Römpp Online — Version 3.5, 2009, Georg Thieme Verlag, Stuttgart.D. R. Lide (Hrsg.): Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, S. 3-454, CRC Press, Boca Raton, 2009; ISBN 978-1-4200-9084-0. Дипольний момент молекули становить 2,29 DA. D. Buckingham, J. Y. H. Chau, H. C. Freeman, R. J. W. Le Fèvre, D. A. A. S. Narayana Rao, J. Tardif: The dipole moments of pyridine, quinoline, and isoquinoline as vapours and as solutes, in: J. Chem. Soc. 1956, 1405—1411; .

Поширення у природі

У вільній формі хінолін у природі не зустрічається. Проте хінолінове ядро входить до складу багатьох алкалоїдів.M. Hesse: Alkaloide, S. 375-378, 1. Auflage, Verlag Helvetica Chimica Acta, Zürich, 2000, ISBN 3-906390-19-5.

Номенклатура

Хінолін також можна називати Бензопіридин та 1-Азанафтален

Отримання Промисловий метод Синтез хіноліну з аніліну та гліцерину (синтез Скраупа) було проведено Зденко Скраупом в 1880 році.Z. H. Skraup: Eine Synthese des Chinolins, in: Chem. Ber. 1880, 13, 2086—2087; .

Синтез за Фрідлендером у присутності кислот ЛьюїсаA. Shaabani, E. Soleimani, Z. Badri: Triflouroacetic Acid as an Efficient Catalyst for the Synthesis of Quinoline, in: Synth. Commun. 2007, 37, 629—635; .C.-S. Jia, Z. Zhang, S.-J. Tu, G.-W. Wang: Rapid and efficient synthesis of poly-substituted quinolines assisted by p-toluene sulphonic acid under solvent-free conditions: comparative study of microwave irradiation versus conventional heating, in: Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 104—110; .,J. Wu, H.-G. Xia, K. Gao: Molecular iodine: a highly efficient catalyst in the synthesis of quinolines via Friedländer annulation, in: Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 126—129; .R. Varala, R. Enugala, S. R. Adapa: Efficient and Rapid Friedlander Synthesis of Functionalized Quinolines Catalyzed by Neodymium(III) Nitrate Hexahydrate, in: Synthesis 2006, 3825-3830; .:

Синтез за Нематовскі (Niemantowski)R. H. Manske: The Chemistry of Quinolines., in: Chem. Rev. 1942, 30, 113—144; .:

Інші шляхи синтезу Відомо багато синететичних реакцій приготування заміщених хінолінів:V. V. Kouznetsov, L. Y. V. Méndez, L. Y. V. Gómez: Recent Progress in the Synthesis of Quinolines, in: Curr. Org. Chem. 2005, 9, 141—161; .

Conrad-Limpach-Synthese — Реакція аніліну з β-кетоестерами R. H. Reitsema: The Chemistry of 4-Hydroxyquinolines., in: Chem. Rev. 1948, 43, 43-68; .

Реакція Поварова (циклоприєднання активованого алкену до основи Шифа утвоненої анілном та альдегідом Povarov, L. S.; Mikhailov, B. M. Izv. Akad. Nauk SSR, Ser. Khim. 1963, 953—956.Povarov, L. S.; Grigos, V. I.; Mikhailov, B. M. Izv. Akad. Nauk SSR, Ser. Khim. 1963, 2039—2041.Povarov, L. S. Russian Chem. Rev. 1967, 36, 656.,F. W. Bergstrom, Heterocyclic Nitrogen Compounds. Part IIA. Hexacyclic Compounds: Pyridine, Quinoline, and Isoquinoline., in: Chem. Rev. 1944, 35, 77-277; . Camps-Chinolinsynthese (циклізація о-ациламіно-ацетофенону в лужному середовищі)R. Camps: Synthese von alpha- und gamma-Oxychinolinen, in: Chem. Ber. 1899, 22, 3228; . Синтез КнорраL. Knorr: Synthetische Versuche mit dem Acetessigester, in: Liebigs Ann. 1886, 236, 69-115; . — циклізація β-кетоаніліду в 2-гідроксихінолін в присутності сірчаної кислоти. (Вперше описано Людвігом Кнорром в 1886р Synthetische Versuche mit dem Acetessigester Justus Liebig's Annalen der Chemie Volume 236, Issue 1-2, Date: 1886, Pages: 69-115 Ludwig Knorr )

R. G. Gould, W. A. Jacobs: The Synthesis of Certain Substituted Quinolines and 5,6-Benzoquinolines, in: J. Am. Chem. Soc. 1939, 61, 2890—2895; . (конденсація аніліну з етоексиметиленмалонатами в 3-карбокси-4-гідроксихінолін) Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p.272 (1955); Vol. 28, p.38 (1948). Link . Синтез Комба (Combes) — конденсація незаміщеного аніліну з β-дикетоном, що протікає через основу Шиффа та дає хінолін після циклізації в кислому середовищі.Combes, A. Bull. Chim. Soc. France 1888, 49, 89.Bergstrom, F. W. Chem. Rev. 1944, 35, 156. (Review)

Деякі похідні хіноліну є алкалоїдами. Більшість з них в клітинах синтезується, виходячи з триптофану P. M. Dewick: Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach, 1. Auflage, S. 380-397, John Wiley & Sons, New York, 2009, ISBN 0-470-74167-8.

Фізичні властивості За нормальних умов хінолін — безбарвна рідина (Ткип=237,2 °C, Тпл= −14,8 °C), з високим показником заломлення світла (1,6262 при 21 °C і λ=589 нмW. H. F. Sasse: Synthetical applications of activated metal catalysts. Part VIII. The action of degassed Raney nickel on quinoline and some of its derivatives, in: J. Chem. Soc. 1960, 526—533; . Густина 1,10 г/см³. Хінолін діамагнітний(−86,1·10−6 см3·моль−1)D. R. Lide (Hrsg.): Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, S. 3-675, CRC Press, Boca Raton, 2009; ISBN 978-1-4200-9084-0. und weist ein Дипольний момент молекули хіноліну 2,29 D. В'язкість при 25 °C становить 3,337 мПа·с.−1D. R. Lide (Hrsg.): Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, S. 6-212, CRC Press, Boca Raton, 2009; ISBN 978-1-4200-9084-0., а теплопровідність — 0,147 W·(m·K)−1.D. R. Lide (Hrsg.): Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, S. 6-223, CRC Press, Boca Raton, 2009; ISBN 978-1-4200-9084-0.

Хінолін кристалізується в моноклинну ґратку (P21/c) з параметрами a = 992 пм, b = 1085 пм, c = 1337 пм і β = 106,5° (8 молекул на комірку). Слабкі водневі зв'язки C-H-N і C-H-(π-система).J. E. Davies, A. D. Bond: Quinoline, in: Acta Cryst. 2001, E57, S. o947-o949; .

На противагу піридину, хінолін погано розчиняється у воді (6г/л при 20 °C). З органічними розчинниками (етанол, ацетон, вуглеводи) хінолін змішується повністю.

Будова молекули

Хінолін має кон'юговану систему з десятьма π-електронами, аналогічну до нафталінової. Молекула плоска й підпадає під правило Хюкеля (4n+2 електрони) для ароматичних систем. Атом азоту відтягує електронну густину з кільця. Всі атоми кілець хіноліну мають sp2-гібридизацію.

Хімічні властивості Хінолін — слабка основа. Він протонується сильними кислотами по азоту, утворюючи солі (наприклад, гідрохлорид (C9H7N·HCl), Т пл. 134 °C.O. Eckstein: Ueber Chinolin-chlorhydrat und die Einwirkung von Säurechloriden auf Chinolin, in: Chem. Ber. 1906, 39, 2135—2138; . З кислотами Льюїса утворює продукти приєднання (аналогічно піридину). Атом азоту має sp2 гібридизацію й проявляє відповідні властивості «піридинового азоту».

Ароматична система хіноліну збіднена електронами порівняно з аналогічною пі-системою нафталіну. Він важче вступає в реакції електрофільного заміщення та окислення, які переважно протікають в бензольному ядрі. Натомість реакції нуклеофільного заміщення характерні для позицій 2 та 4 піридинового ядра.

Електрофільне заміщення

Піридинове кільце хіноліну дезактивоване, електрофільне заміщення протікає в положення 5 та 8 бензольного ядра.

Сульфування олеумом при помірних температурах (90 °C) відбувається у позицію 8 (і частково 5), оскільки перехідний стан має нижчу енергію (кінетичний контроль реакції). Натомість при температурі 250—300nbsp;°C утворюється термодинамічно стабільніший ізомер заміщений по позиції 6.G. E. McCasland: The Preparation of 8-Qinolinesulfonic acid, in: J. Org. Chem. 1946, 11, 277—280; . Відносно чистий продукт сульфування по позиції 5 можна отримати проводячи реакцію в присутності сульфату ртуті(ІІ). Галогенування хіноліну молекулярними галогенами потребує жорстких умов. Бромування в сірчаній кислоті дає 5- та 8-бромхінолін.J. L. Butler, M. Gordon: A reinvestigation of known bromination reactions of quinoline, in: J. Heterocycl. Chem. 1975, 12, 1015—1020; . Виходячи з гідроброміду хіноліну можна провести заміщення по позиції 3.T. J. Kress, S. M. Constantino: Selective brominations in nitrobenzene. A convenient synthesis of 3-brornoquinoline, 4-bromoisoquinoline, and 4-phenyl-5-bromopyrimidine, in: J. Heterocycl. Chem. 1973, 10, 409—410; .

Нуклеофільне заміщення

Багато реакцій нуклеофільного заміщення хіноліну протікають аналогічно реакціям піридину, переважно в електронно-дефіцитне положення 2 піридинового кільця.

Реакція Чичибабіна (амінування за допомогою аміду калію в рідкому аміаку) при −66 °C протікає в альфа-положення до азотуH. van der Plas: Oxidative Amino-Dehydrogenation of Azines, in: Adv. Heterocycl. Chem. 2004, 86, 1-40; .. При збільшенні температури реакції до −40 °C, відбувається ізомеризація в термодинамічно більш стабільний 4-заміщений продуктJ. A. Zoltewicz, L. S. Helmick, T. M. Oestreich, R. W. King, P. E. Kandetzki: Addition of amide ion to isoquinoline and quinoline in liquid ammonia. Nuclear magnetic resonance spectra of anionic σ-complexes, in: J. Org. Chem. 1973, 38, 1947—1949; .. Така сама закономірність діє і для літіювання (2- термодинамічний контроль 4- кінетичний контроль).

Хінолін може бути напряму проалкільований бутиллітієм; утворений продукт приєднання по позиції 2 гідролізується водою та легко ароматизується (дегідрується) нітробензолом.T. J. Geissmann, M. J. Schlatter, I. D. Webb, J. D. Roberts: The Synthesis of some Intermediates for the Use in the Preparation of Analogs of Salicylaldehyde ethylenediimine cobalt («Salcomine»), in: J. Org. Chem. 1946, 11, 741—750; .

Окислення та відновлення Хінолін можна окислити пербензойною кислотою в N-оксид (аналог піридин-N-оксиду).J. Meisenheimer: Über Pyridin-, Chinolin— und Isochinolin-N-oxyd., in: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1926, 59, 1848—1853; . Бензенове ядро багатше пі-електронами й легше окислюється. Так при дії KMnO4 (перманганат калію) утворюється хінолінова кислотаC. F. Koelsch, A. F. Steinhauer: Synthesis, Nitration, and Oxidation of 3-Azafluoranthene, in: J. Org. Chem. 1953, 18, 1516—1522; ., MnO2J. C. Cochran, W. F. Little: Electrolytic Oxidation of Some Substituted Quinolines to Quinolinic Acids and Acylations with Substituted Quinolinic Anhydrides, in: J. Org. Chem. 1961, 21, 808—811; . чи азотна кислота дають той же продукт:

Озоноліз хіноліну приводить до піридин-2,3-диальдегідуG. Queguiner, P. Pastour: Synthèse dans la série de la pyridine — I — Les diformylpyridines, in: 1968, 10, 4117-4121., який може бути окиснено використовуючи пероксид водню в хінолінову кислоту.C. O'Murchu: Ozonolysis of Quinolines: A Versatile Synthesis of Polyfunctional Pyridines, in: Synthesis 1989, 11, 880—882; .