Хинолин и его производные

Введение 

   Органическая  химия изучает соединения углерода — углеводороды и их производные, в состав которых могут входить почти все элементы периодической системы.  

    Выделение органической химии в самостоятельную научную дисциплину обусловлено большим числом и многообразием соединений углерода, наличием специфических свойств, отличающих их от соединений других элементов, и, наконец, их исключительным значением в жизни человека. В настоящее время известно более 4,5 миллионов органических соединений, в то время как соединений неорганических всего около 700 тыс. (1). Превращения органических соединений управляются общими законами химии, а также специфическими закономерностями, характерными только для органических соединений. Органические соединения обычно менее стойки, чем неорганичес-кие, легче окисляются (горят), подавляющее большинство из них имеет только ковалентные связи между атомами. Особое положение органической химии в системе наук обусловлено еще и тем, что она изучает более высоко организованную материю, чем неорганическая химия, и тесно связана с биологией: органические вещества появились на Земле позже неорганических, они являются носителями жизнедеятельности животных и растительных организмов (2).

     Но не только этим определяется исключительное значение органической химии. Органические соединения составляют основу многих отраслей хими-ческой промышленности (пластических масс, синтетического каучука и резины, моторного топлива и смазочных материалов, растворителей, лаков и пигментов, красителей для волокна, медикаментов, взрывчатых веществ, текстильных, кожевенных и пищевых материалов и т. д.) и широко исполь-зуются в производстве.    

  Современный период развития органической химии характеризуется в области теории все большим проникновением методов квантовой механики в органическую химию. С их помощью химики пытаются решить вопрос о причинах того или иного проявления взаимного влияния атомов в молекулах. В области развития органического синтеза современный период характеризуется исключительными успехами в получении природных веществ, участвующих в жизнедеятельности растений и животных. Синтезированы хлорофилл, гемин и многие гормоны, витамины, алкалоиды и антибиотики. Успешно решается величайшая проблема огромного философского значения — проблема синтеза белка. В последние годы расшифровано строение молекул ряда белков и уже синтезированы простейшие белковые вещества. Выявлена роль нуклеиновых кислот в синтезе белка, в хранении и передаче наследственной информации. Осуществлен синтез гена. В промышленности наблюдается исключительный прогресс в производстве необходимых для развития техники новых материалов, природных веществ и их заменителей, в использовании прогрессивных катали-тических методов, сверхвысоких давлений, в разработке методов очистки органических веществ (4).  

  Широко внедряются физические методы определения строения органичес-ких веществ: инфракрасная спектроскопия, электронография, ядерный и электронный парамагнитный резонанс, масс-спектроскопия и др. Задача разделения и идентификации органических веществ решается в современных лабораториях с помощью хроматографа в течение нескольких часов. Многие вопросы строения органических веществ, на решение которых раньше надо было затратить несколько месяцев, а иногда и лет, решаются с применением физических методов в несколько минут или часов (5). 
 
 
 
 
 
 

 1 Хинолин

                      

     Хинолин  - гетероциклическое соединение, в котором бензольное кольцо аннелировано с пиридином через атомы углерода: формула 1 

                                                                         (1)

                                                                             

     Применяют как растворитель для серы, фосфора и др., для синтеза органических красителей. (6)

    Соединение первоначально было выделено из каменноугольной смолы. Хинолин по свойствам подобен пиридину: проявляет основный характер, при действии алкилгалогенидов образует четвертичные хинолиниевые соли. При восстановлении хинолина получают тетрагидрохинолин, т. е. гидрируется пиридиновое кольцо. (6)                     

                                                             

1.1 Методы синтеза хинолина 

     Большинство синтезов, ведущих к образованию хинолиновой циклической системы, состоит в замыкании пиридинового цикла по одному из четырёх возможных путей: формула 2-5  

    (2-5)

                                                                                                      

Рассмотрим образование связи по типу I

Синтез Дебнера-Миллера представляет собой наиболее общий метод из методов типа I.

     В синтезе Дёбнера-Миллера используют α,β-ненасыщенные альдегиды и кетоны. Это существенно расширяет возможности метода при синтезе различных производных хинолина, содержащих заместители в пиридиновом кольце. В качестве конденсирующего агента используется НС1 и ZnCl2 (8). В этом варианте синтеза также необходима стадия окисления дигидрохинолина (дегидрирование происходит за счет переноса водорода к основанию Шиффа, присутствующему в реакционной среде).

     Было показано, что эта реакция применима почти для всех ароматических аминов. В качестве альдегида может быть взят любой α,β-ненасыщенные альдегид, подобный кротоновому или коричному. Общее течение реакции изображается схемой 1 

                               (1)

                                                                                                 

     Применение метода Дёбнера-Миллера в случае смеси альдегидов, очевидно, ограничено реакциями конденсации, протекающими преимущественно в одном направлении. Таким образом, большинство синтезов, в которых применяется смесь альдегидов, осуществлено с ароматическими и жирными альдегидами. В этом случае преобладает одно направление конденсации. В качестве примера можно привести конденсацию с участием уксусного альдегида и м-нитробензальдегида: схема 2 

        (2) 

     Синтез Скраупа - конденсация ариламинов с α,β-непредельными карбониль-ными соединениями.

     Этот синтез подбно синтезу Дёбнера-Миллера протекает через стадию образования дигидрохинолинового производного. Различие методов состоит в применении разных реагентов, при помощи которых завершается дигидри-рование промежуточного продукта, дигидрохинолина, в хинолин. В методе Дёбнера-Миллера таким реагентом является образующееся из первоначально взятых веществ шиффово основание, которое способно присоединять водород и тем самым завершить дегидрирование. В реакции Скраупа дегидрирование завершается при помощи специально прибавляемого реагента (8).

     По методу Скраупа ароматический амин, по меньшей мере с одним свободным орто-положением по отношению к амино группе, нагревается с глицерином, серной кислотой (которая действует как дегидратирующий агент и катализатор) и окислителем. В простейшем случае, когда в качестве амина взят анилин, а в качестве окислителя-нитробензол, реакцию можно изобразить следующей схемой 3 (3)

                                                                                               

     Дегидратация глицерина приводит к образованию а,β-непредельного альдегида -акролеина. Последующее электрофильное замыкание цикла требует кислотного катализа. Для окисления образующейся гидрированной структуры используют нитробензол того же строения, что и исходный анилин. Реакция сильно экзотермична, поэтому обычно добавляют замедлитель процесса - сульфат железа(П).

     Как и в реакции Дебнера-Миллера, здесь может образоваться промежуточное шиффово основание. Это ни в коей мере не может отразиться на течении реакции, так как первичным продуктом циклизации является дигидрохинолин (9).Совершенно несущественно, как он образуется: в результате внутримолекулярного отщепления воды или анилина.

     Этим методом нельзя синтезировать соединения, содержащие группировки, чувствительные к действию кислот. Это единственное ограничение данного метода, являющегося лучшим способом синтеза хинолинов, не замещённых в гетероциклическом кольце. 

1.2 Физические свойства хинолина 

     Хинолин - бесцветная маслянистая жидкость с запахом пиридина, во влажном воздухе на свету желтеет.

- молекулярная масса 129,15 (7);

- брутто-формула  (система Хилла): C9H7N (7);

- температура плавления -15,2 °С (7);

- температура  кипения 236,6 °С, 108,8/10 мм рт. ст.(7);

- давление пара 0,34 кПа (75,3°С), 1,41 кПа (104,3 °С); 83,65 кДж/кг (7).

Хорошо растворим в этаноле, диэтиловом эфире, бензоле, сероуглероде, мало растворим в воде (0,7% при 20 С);  

- гигроскопичен  (захватывает до 22% Н2О) (7);

- перегоняется  с водяным паром;

- Плотность: 1,095 (20°C, г/см³) (7);

- показатель  преломления (для D-линии натрия): 1,6268 (20°C) (7);

- давление паров  (в мм.рт.ст.): 10 (108,8°C) 17 (114°C) (7);

- диэлектрическая  проницаемость: 9 (25°C) (7);

- дипольный момент  молекулы (в дебаях): 2,29 (20°C) (7);

- поверхностное  натяжение (в мН/м): 45 (20°C) (7);

- стандартная мольная теплоемкость Cp (298 К, Дж/моль·K): 199,2 (ж) (7);

- энтальпия плавления  ΔHпл (кДж/моль): 10,8 (7);

- теплота сгорания Qp (кДж/моль): 4700,7 (7).

     С неорганическими и органическими солями дает аддукты (например, C9H7N х HgCl2 с температурой плавления 223,5 °С), используемые для его выделения, очистки и идентификации. 

1.3 Химические свойства хинолина и его производных 
 

     В  данной курсовой работе рассматривается  строение и свойства хинолина, а также его производные.

     Хинолин - основание, сильнее, чем анилин, и слабее, чем пиридин, рКа 4,90. Легко протонируется по атому N, образуя с минеральными кислотами ограниченно растворимые устойчивые соли (температура плавления сульфата 164, дихромата 167, фосфата 165, хлороплатината 218 °С), с алкил-, некото-рыми арил-, ацилгалогенидами и диалкилсульфатами - соответствующие четвертичные соли (соли хинолиния).

     1-Алкилхинолинийгалогениды при нагревании в запаянной трубке до 300 °С претерпевают Ладенбурга реакцию с миграцией алкильного заместителя преимущественно в положения 2, 4 и 8; присоединяют цианид-анион с образованием 4-цианохинолинов, превращающихся в кислой среде в 4-хинолинкарбоновую (цинхониновую) кислоту. К 1-ацилхинолиниевым солям цианид-анион присоединяется, давая 1-ацил-2-циано-1,2-дигидрохинолины - соединения Рейссерта (10).

     Электрофильное замещение хинолина в мягких условиях идет преиму-щественно по положениям 5 и 8, например сульфирование дымящей H2SO4 при слабом нагревании, нитрование смесью HNO3 и H2SO4 при 0 °С или галогенирование в концентрированной H2SO4 без нагревания в присутствии Ag2SO4. Сульфирование при 230 °С идет в положение 5, при 300 0С - главным образом в положение 6; нитрование с помощью Zr(NO3)4 протекает преиму-щественно в положение 7. Нитрование смесью HNO3 и H2SO4 при нагревании приводит к смеси 5,7- и 6,8-динитрохинолинов (вторая нитрогруппа вступает в мета-положение к первой). Галогенирование хинолина в ССl4 и нитрование HNO3 в (СН3СО)2О или N2O4 протекает с хорошими выходами по механизму присоединения - отщепления и приводит к образованию соответствующих 3-замещенных производных (12).