Вступ

Хімія гетероциклических 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 гетероатомов 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.

У даній курсовій роботі будуть розглянуті методи систезу хіноліну.

Хінолін та його похідні застосовуються як лікарські засоби, наприклад, атофан, ентеросептол, хінозол.

Мета роботи полягає в тому, щоб розглянути основні методи синтезу хінолінів.

Завдання роботи:

1) дати характеристику будови та властивостей хіноліну та його похідних;

2) навести схеми основних методів синтезу хіноліну та його похідних.

1. Хінолін: номенклатура, будова та властивості

1.1 Особливості номенклатури та будови хіноліну

За номенклатурою, прийнятою для гетероциклічних сполук, хінолін можна назвати бензо[b] піридином, а ізохінолін – бензо[з] піридином. Ця номенклатура заснована на тому, що сторонам гетероциклічного фрагмента привласнюються індекси – «а» – для зв'язку гетероатом – a‑атом вуглецю, «b» – для зв'язку, що з'єднує a і b атоми вуглецю, і так далі. При анелюванні іншого циклу до вихідного гетероциклу в квадратних дужках вказується позначення сторони, по якій відбувається анелювання.

Так само, як і піридин, хінолін і ізохінолін містяться в кам'яновугільній смолі, відкіля вони можуть бути виділені завдяки тому, що, подібно піридинові, є основами.

Вплив атома азоту на бензольне кільце виражений слабше, ніж на піридинове кільце. Реакції електрофільного заміщення протікають легше, ніж у піридині. Також протікають реакції нуклеофільного заміщення, і хінолін виявляє основні властивості, як піридин.

1.2 Властивості хіноліну

Хінолін – гетероциклічна сполука, у якій бензольне кільце анельовано з піридиновим через атоми вуглецю. Хінолін – стабільна, малоразчинна у воді, рідина з неприємним запахом. Його температура кипіння 237 °С, а плавлення -16 °С. Спочатку хінолін було виділено з кам'яновугільної смоли.

Хінолін – безбарвна рідина, добре змішується з водою, етанолом, діетиловим ефіром та іншими органічними розчинниками, переганяється з водяною парою.

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; pK_DH+ піридину 5,25).

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

2. 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.

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, з гідроксидом калію при 280–300 °С хінолін утворює 2‑гідроксихінолін:

3. Реакції відновлення і окиснення. 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 окислюється по гетероатому з утворенням N‑оксиду:

1.3 Властивості похідних хіноліну

Хінолінове ядро є структурним фрагментом молекул деяких алкалоїдів 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⁺, Mn²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Fe»⁺, Fe'⁺ 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 Со²⁺, необхідних для життєдіяльності мікроорганізмів.

Ізохінолін (бензо[с] піридин) є ізомером хіноліну. Молекула ізохіноліну, як і хіноліну, складається з конденсованих піридинового та бензольного циклів, але, на відміну від хіноліну, цикли з'єднані вздовж зв'язку С³-С⁴піридинового кільця.

Нумерацію атомів ізохінолінового ядра проводять згідно з правилами ІЮПАК наведеним способом.

Ізохінолін безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 24,6 °С), розчинна у воді, етанолі, діетиловому ефірі, хлороформі та бензолі.

За хімічними властивостями ізохінолін мало чим відрізняється від хіноліну. За рахунок гетероатома він виявляє оснбвні властивості та легко утворює солі з кислотами, алкіл- і ацилгалогенідами. Як основа ізохінолін трохи сильніше хіноліну (рК_ВН+ ізохіноліну 5,14; рК_ВН+ хіноліну 4,94).

Реакції електрофільного заміщення, як і в ядрі хіноліну, проходять здебільшого в положеннях 5 і 8. Нуклеофільне заміщення в ізохіноліновому циклі відбувається переважно у положенні 1.

При відновленні ізохіноліну, як і у молекулі хіноліну, в першу чергу гідрується піридинове ядро. Так, при дії натрієм в етанолі або воднем над нікелевим каталізатором ізохінолін відновлюється до 1,2,3,4‑тетрагідроізохіноліну.

За жорсткіших умов гідруванню піддається і бензольне кільце. При окисненні ізохіноліну лужним розчином КМпО₄ утворюється суміш фталевої та 3,4‑піридиндикарбонової кислот:

Під дією органічних пероксикислот ізохінолін окиснюється по гетероатому, утворюючи N‑оксид.

Ядро ізохіноліну є структурним фрагментом молекул алкалоїдів ізохінолінового ряду – папаверину, морфіну, кодеїну та ін.

1.4 Застосування хінолінів

Хінолінова циклічна система значно поширена в природі. Хіноліновий кістяк протягом тривалого часу був основою для пошуку синтетичних противомалярійних препаратів. Один з таких препаратів – хлорохін. Ціанінові барвники також складають значну частку в комерційній продукції на основі хінолінової сировини. Вони застосовуються для сенсибілізації фотографічних емульсій до червоних і інфрачервоних променів, що не діють на бромисте срібло без сенсибілізації. Найпростішим барвником цього типу є етиловий червоний. Тетрагідропохідна оксамніхін використовується для боротьби із шистосомой, що служить основною причиною захворювання в тропічних регіонах. На основі синтезу похідних хіноліну з ізатину, можна одержати багато інших хіміко-фармацевтичних препаратів. 8‑оксихінолін (оксин) широко використовується в аналітичній хімії для виявлення багатьох металів, що дають з ними внутрікомплексні солі оксинати (хелати) за рахунок участі вільної пари електронів азоту, а також як дезинфікуючі засоби (хіназол), 5‑хлор‑7‑йод‑8‑Оксихінолін (ентеросептол) застосовується для боротьби з кишковими захворюваннями. Він настільки повно зв'язує іонний кобальт (кобаламіну – вітаміну B₁₂), що вижитти бактерій неможуть. Хінолін часто використовується в лабораторії в якості висококиплячого основного розчинника.