Хинолин: строение и свойства гетероцикла¶

Хинолин — ароматический гетероциклическое соединение с брутто-формулой C₉H₇N, состоящее из конденсированных бензольного и пиридинового колец. Относится к классу азотсодержащих гетероциклов, является структурным изомером изохинолина и родоначальником обширной группы хинолиновых алкалоидов и синтетических производных. При нормальных условиях — бесцветная маслянистая жидкость с характерным запахом, температура кипения 237 °C, температура плавления −15 °C, плотность 1,093 г/см³. Хорошо растворим в органических растворителях, ограниченно — в воде. Проявляет слабоосновные свойства (pKb ≈ 9,5), образует соли с сильными кислотами.

¶Строение молекулы

Молекула хинолина плоская, все атомы углерода и азота лежат в одной плоскости, что обеспечивает делокализацию π-электронов по всей бициклической системе. Нумерация атомов ведётся от азота: положение 1 занимает атом азота, далее по пиридиновому кольцу следуют атомы 2, 3, 4, затем атомы 5–8 принадлежат бензольному фрагменту.

Электронное строение характеризуется наличием десяти π-электронов, образующих ароматическую систему, подчиняющуюся правилу Хюккеля (4n + 2, где n = 2). Неподелённая электронная пара атома азота расположена в sp²-гибридной орбитали в плоскости кольца и не участвует в ароматическом сопряжении, что обусловливает основные свойства. Атом азота по электроотрицательности превосходит углерод, поэтому электронная плотность смещена к нему: пиридиновое кольцо обеднено электронами, бензольное — относительно обогащено.

¶Химические свойства

Хинолин сочетает свойства ароматического соединения, третичного амина и электронодефицитного гетероцикла.

¶Основные свойства

За счёт неподелённой пары азота хинолин присоединяет протоны и образует соли: с соляной кислотой даёт хинолингидрохлорид. Реакция с йодистым метилом приводит к четвертичной соли — йодиду N-метилхинолиния. Основность хинолина (pKb 9,5) ниже, чем у пиридина (pKb 8,8), что объясняется влиянием конденсированного бензольного кольца.

¶Реакции электрофильного замещения

Электрофильное замещение протекает преимущественно по бензольному кольцу, главным образом в положения 5 и 8, поскольку пиридиновый фрагмент дезактивирован. Нитрование (смесь азотной и серной кислот) даёт смесь 5- и 8-нитрохинолинов. Сульфирование при 220 °C приводит к хинолин-8-сульфокислоте, при 100 °C — к 5-сульфокислоте. Галогенирование в присутствии катализаторов также идёт в бензольное ядро.

¶Реакции нуклеофильного замещения

Атака нуклеофилов направлена в положения 2 и 4 пиридинового кольца. Амидирование натрием в жидком аммиаке даёт 2-аминохинолин. Взаимодействие с гидроксидом калия при сплавлении приводит к раскрытию пиридинового кольца.

¶Окисление и восстановление

Окисление перманганатом калия разрушает бензольное кольцо с образованием пиридин-2,3-дикарбоновой (хинолиновой) кислоты. Восстановление водородом в присутствии катализаторов или натрием в спирте даёт 1,2,3,4-тетрагидрохинолин, при дальнейшем восстановлении — декагидрохинолин.

¶Получение

Основные лабораторные и промышленные методы:

• Синтез Скраупа — взаимодействие анилина с глицерином, нитробензолом и серной кислотой; классический способ, дающий хинолин с высоким выходом.
• Синтез Фридлендера — конденсация 2-аминобензальдегида с альдегидами или кетонами в присутствии основания.
• Синтез Кнорра — циклизация анилидов β-кетокислот.
• Синтез Конрада — Лимпаха — термическая циклизация анилидов малонового эфира.
• Синтез Поварова — конденсация анилина с α,β-непредельными карбонильными соединениями.

В промышленности хинолин выделяют из каменноугольной смолы и синтезируют по методу Скраупа.

¶Применение

Хинолин и его производные широко используются:

• в фармацевтике — как основа противомалярийных препаратов (хинин, хлорохин), антибактериальных средств (нитроксолин), антисептиков;
• в синтезе красителей — цианиновых и хинолиновых красителей;
• как аналитический реагент для осаждения и определения металлов;
• в качестве растворителя и промежуточного продукта органического синтеза;
• для получения ингибиторов коррозии и флотационных реагентов.

¶Значение и распространение

Хинолиновый фрагмент входит в структуру многих природных алкалоидов (хинин, стрихнин, камфотин) и синтетических лекарственных средств. Благодаря сочетанию ароматичности, основности и способности к разнообразным превращениям хинолин остаётся ключевым объектом гетероциклической химии и тонкого органического синтеза.