Конденсовані азини. Хінолін. Ізохінолін. Акридин.
Діазини.
Найважливішими піридинвмісними конденсованими nсистемами
nє хінолін, ізохінолін та акридин.
Хінолін і його властивості
Хінолін (бензо [b] піридин) являє собою біциклічну nсистему, яка містить конденсовані nпіридинове і бензольное nкільця. Його також можна розглядати як nгетероциклічний аналог нафталіну (1-азанафталін). nУ піридиновому кільці положення позначаються грецькими буквами nα (положення 2), β (3), γ n(4). Хінолін – nбезбарвна рідина з неприємним запахом, nt кип = 237 °С, добре nзмішується з водою, етанолом, nдіетиловим ефіром, переганяється з водяною парою.
Методи nдобування хіноліну
Хінолін і його метильні похідні nотримують з продуктів перегонки кам’яновугільної смоли. Серед синтетичних nспособів отримання хіноліну і його похідних найважливішими nє синтез Скраупа і синтез Дебнер-Міллера.
1. Синтез Скраупа. Для отримання хіноліну за методом Скраупа nанілін нагрівають з гліцерином і концентрованої H2SO4 в присутності слабкої окислювача n– нітробензолу:
Механізм реакції включає три послідовні стадії. На першій стадії гліцерин під nдією nконцентрованої H2SO4 піддається дегідратації з утворенням акролеїну:
На другій стадії утворений акролеїн вступає в реакцію nконденсації з аніліном:
На третій стадії реакції 1,2–дигідрохінолін окислюється nнітробензолом у хінолін:
Для отримання похідних nхіноліну, що містять замісники в бензольному кільці, замість аніліну nвикористовують його відповідні похідні з вільним орто-положенням.
Реакція була відкрита в 1881 nроці австрійським хіміком-органіком З. Х. Скраупом. У літературі цю реакцію nіноді називають скраупуванням.
2. Синтез Дебнера–Міллера. Реакція відкрита в 1881 nроці і є модифікацією синтезу Скраупа. Синтез Дебнера– Міллера застосовують для отримання похідних хіноліну, що nмістять алкільний замісник nу піридиновому кільці.
У якості вихідних речовин використовують ароматичний амін і альдегід, який може вступати nв реакцію кротоновий конденсації. nСинтез проводять у присутності цинку хлориду, хлороводневої nабо іншої мінеральної кислоти. Наприклад, для отримання 2–метилхіноліну (хінальдин) використовують анілін і ацетальдегід.
Далі відбувається взаємодія кротонового альдегіду з аніліном. В даному випадку окислювачами nвиступають азометини C6H5–N=CH–R, які утворюються nв процесі реакції:
Хімічні властивості.
Хінолін є nароматичним з’єднанням: його молекула має плоску будову і єдину сполучену 10 nπ-електронну систему.
За хімічними nвластивостями хінолін схожий з піридином. Для нього характерні реакції:
– За участю гетероатома;
– Електрофільного і нуклеофільного заміщення;
– Окислення;
– Відновлення.
Реакції по nгетероатому
Наявність у молекулі хіноліну атома азоту піридинового типу обумовлює nосновні властивості. Як основа хінолін трохи слабший ніж піридин (рКВН+ Хіноліну в Н2О дорівнює 4,94, а рКВН+ nпіридину – 5,25).
Хінолін утворює солі з сильними кислотами, алкіл-і nацілгалогеніди:
Основні nвластивості хіноліну
Аналогічно піридину хінолін виявляє властивості nтретинного аміну (утворює солі, четвертинні солі), а також вступає в реакції nелектрофільного та нуклеофільного заміщення.
Подібно піридину хінолін має основні властивості.
Взаємодія nхіноліну з кислотами і утворення солей хінолінію
Спостерігають за сильним розігріванням реакційної nсуміші і одночасним виділенням осаду хлориду хінолінію білого кольору. Якщо до одержаної реакційної суміші nдодати воду, осад розчиняється, оскільки хлорид хінолінію добре nрозчиняється у воді.
Утворення nпікрату хіноліну
Одразу утворюється осад пікрату хіноліну.
Утворення nхіноліном четвертинних амонієвих солей
У сухій пробірці змішують 0,5 мл хіноліну а n0,5 мл йодистого метилу. Реакційна суміш досить швидко мутніє, виділяється маслянистий продукт – йодид N-метилхінолінію, nякий швидко твердне.
Окиснення та відновлення хіноліну
На відміну від піридину хінолін легко окиснюється перманганатом. При цьому nокисненню піддається бензольне ядро молекули хіноліну й утворюється двохосновна nα,β-піридиндикарбонова nкислота (хінолінова кислота).
У присутності пероксикислот nхінолін утворює N-оксид:
При відновленні хіноліну в першу чергу відновлюється nпіридинове ядро. Утворення nпродуктів реакції залежить від каталізатора і умов nпроведення.
Реакції електрофільного заміщення, SEAr
Якщо реакції йдуть в кислому середовищі піридиновий фрагмент nмолекули за рахунок протонування стає важкодоступним nдля атаки електрофіла (Е+), тому Е+ атакує бензольний фрагмент nмолекули, і реакції nйдуть за положеннями 5 і 8 (в цьому випадку резонансний гібрид енергетично більш вигідний). За відсутності кислоти електрофільні реакції йдуть по положенню 3. nХінолін більш реакційноздатний, nніж піридин, але nзначно поступається нафталіну.
При обробці нітруючою сумішшю nутворюються 5- і 8-нітрохіноліни. nСульфування концентрованою сірчаною nкислотою при температурі 220 °С приводить до утворення 8-хінолінсульфокислоти, а при 300 °С – 6–хінолінсульфокислоти (у цих умовах відбувається nперегрупування 8-ізомеру в більш nтермодинамічно вигідний 6-ізомер):
Реакції нуклеофільного заміщення, SNAr
У реакції нуклеофільного nзаміщення хінолін вступає значно легше, nніж піридин. При цьому реакції nпротікають по положенню 2.
Біологічно активні похідні хіноліну
Хінолінове ядро є структурним nфрагментом багатьох алкалоїдів та лікарських препаратів.
Хінозол, нітроксілін, ентеросептол є антисептиками при інфекційних захворюваннях шлунково–кишкового nтракту
8-Гідроксихінолін
8-Гідроксихінолін – nбезбарвна кристалічна речовина з tпл = 75 n… 76 ° С nі характерним запахом, малорозчинний у воді, діетіловом ефірі, бензолі. Його nотримують нагріванням ортоамінофенола nз гліцерином у присутності концентрованої сірчаної кислоти (синтез Скраупа) nабо сплавлянням 8-хінолінсульфокіслоти з nлугом:
З катіонами багатьох nметалів (Mg2+, Al3+, Zn2+ і т. д.) 8-гідроксихінолін здатний утворювати нерозчинні координаційні комплекси – хелати, nякі використовуються в якісному аналізі:
Ця властивість 8-гідроксихіноліну також лежить в основі його застосування в nмедицині.
Безліч похідних цього з’єднання (хінозол, нітроксолін (5-НОК), nентеросептол) мають антибактеріальну nі протигрибкову активність.
Хінолін-4-карбонова n(цінхонінова) кислота
З похідних цінхонінової кислоти слід зазначити лікарський nпрепарат совкаін, який є місцевим анестетиком.
Ізохінолін
Ізохінолін є ізомером nхіноліну, але на відміну від нього цикли з’єднані nвздовж зв’язку С3–С4 nпіридинового кільця і тому його називають бензо n[c] піридином. Нумерацію атомів в молекулі ізохіноліну проводять як у конденсованих nаренах, з урахуванням положення гетероатома.
Ізохінолін – це безбарвна nкристалічна речовина з tпл = 24,6 °С і запахом, nщо нагадує запах хіноліну, розчиняється у воді та nбільшості органічних розчинників. n
Способи отримання. Ізохінолін міститься в nхіноліновий
nфракції кам’яновугільної смоли (1%).
У лабораторії синтез ізохіноліну і його похідних nздійснюють за реакцією Бішлера–Напіральського.
При взаємодії nβ-фенілетанаміна з хлорангідридами карбонових кислот утворюється nN-ацил-β-фенілетанамін, який при дії водовіднімаючих засобів POCl3, nP2O5 або поліфосфорної кислоти піддається циклодегідратації nз утворенням заміщених 3,4-дигідроізохіноліна. Подальше дегідруання приводить nдо утворення ізохіноліну.
Хімічні властивості
За хімічними nвластивостями ізохінолін багато в чому нагадує хінолін. За nрахунок гетероатома він проявляє слабоосновні властивості, взаємодіючи з nсильними кислотами. Як основа ізохінолін трохи сильніше хіноліну (рКВН+ nізохіноліну дорівнює 5,14; рКВН+ хіноліну – 4,94).
Алкілування та ацилювання протікають по nгетероатому з утворенням солеподібних продуктів nприєднання.
Ізохінолін вступає в nреакції електрофільного заміщення, nяк і хінолін, nв положеннях 5 і n8 бензольного кільця. Нуклеофільне nзаміщення протікає в положенні 1.
Ізохінолін важче відновлюється, ніж хінолін.
При окисленні ізохіноліну nлужним розчином KMnO4 окисленню піддаються обидва ядра, і в результаті утворюється суміш фталевої та 3,4-піридиндикарбонової nкислот.
Подібно до хіноліну при nдії пероксикислот ізохінолін nутворює ізохіноліна N–оксид.
Похідними ізохіноліну є nбагато алкалоїдв ізохінолінового nряду – морфін, папаверин, nнаркотин та ін.
Акридин
Акридин n(дибензо [b, e] піридин) являє nсобою конденсовану систему з двох бензольних і одного піридинового циклів. Акридин подібний до антрацену, в якому група = СН- заміщена на атом азоту n(10-азаантрацен).
Нумерацію атомів проводять таким nчином, щоб азот отримав найбільший номер – 10. Положення 9 і 10 називають nмезо-положеннями.
nАкридин – це світло-жовта кристалічна речовина з tпл = 111 °С і характерним запахом, легко переганяється. Добре nрозчиняється в органічних розчинниках, малорозчинний у воді. Розбавлені розчини мають синю флуоресценцію. Розчини солей мають зелену флуоресценцією, при розведенні водою nвідбувається гідроліз, і зелена флуоресценція переходить в синю, nхарактерну для вільного акридина. Акридин чинить на слизові
nоболонки і на шкіру подразнюючу дію, викликає відчуття nпечіння, звідки і взялася його назва acris – їдкий.
Способи nотримання. Акридин виділяють з антраценової фракції nкам’яновугільної смоли.
Найчастіше nакридин отримують синтетичним шляхом, використовуючи реакції конденсації і nциклізації.
1. Конденсація дифениламина з nкарбоновими кислотами. Акридин отримують за способом Бернтсена при нагріванні дифениламина з nодноосновними карбоновими кислотами в присутності цинку хлориду як nводовіднімаючих засоби:
2. Циклізация N–фенілантранілової nкислоти за реакцією Дроздова–Магідсона–Григорівського:
У молекулі 9-хлоракридина атом хлору проявляє велику рухливість, nтому його використовують для отримання nпохідних по положенню 9:
Хімічні властивості
1. Реакції з участю гетероатома. Акридин є слабкою основою. Він nмає слабші основні властивості, ніж піридин і хінолін. nАкридин, подібно піридину, nвзаємодіє з кислотами, утворюючи солі, nякі називаються акридинієвими. З надкислотами утворює nакридину N–оксид:
З електрофільними nреагентами акридин взаємодіє nз великими труднощами і неоднозначно.
2. Реакції нуклеофільного заміщення для акридину йдуть досить nлегко по положенню n9. Наприклад, при дії nна акридин натрій аміду утворюється 9-аміноакридин:
Акридин досить стійкий nдо дії окислювачів. При дії nкалію дихромату в nоцтовій кислоті акридин окислюється в акридон-9, nякий є таутомерною речовиною:
Хоча в акридоні-9 і міститься група n–С=О, проте вона не nволодіє кетонним характером. Це пояснюється тим, що nнеузагальнена електронна пара атома азоту сполучена з карбонілом, що знижує її nелектрофільні властивості.
Молекули акридона-9 завдяки міжмолекулярним nводневим зв’язкам утворюють димери. Акридон-9 у вільному стані являє собою nдимер з високою температурою nплавлення:
При окисленні акридина nв жорстких умовах (KMnO4 в лужному середовищі) зачіпається nодне з бензольних ядер з утворенням хінолін-2,3–дикарбонової кислоти:
Відновлення акридина відбувається подібно антрацену по найбільш активним мезо–положенням. Так, nпри дії натрію nв спиртовому розчині або при каталітичному гідруванні акридин легко відновлюється в 9,10–дігідроакридин (акридан):
Акридан володіє дуже слабкими основними nвластивостями. Так само, як і у дифениламина, неподілена електронна пара атома азоту бере участь у сполученні з двома бензоловими ядрами. nТільки з сильними мінеральними кислотами він nутворює солі, які легко гідролізуються.
Найважливіші nпохідні акридину
9-Аміноакридин
9-Аміноакридин – жовта кристалічна речовина з tпл = n236 … 237 °С, розчиняється nв етанолі, ацетоні; є більш сильною основою, ніж акридин.
Незважаючи на те що в ньому є два основних nцентри, сіль утворюється тільки nпо кільцевому атому азоту. Пара електронів nаміногрупи набирає пару з π–електронами піридинового кільця, зміщуючись до кільцевому атому азоту і nпідвищуючи на ньому електронну густину. У результаті цього аминогруппа втрачає nздатність до утворення солей.
Ацилювання протікає по аміногрупі:
З похідних акридину відзначимо nлікарські препарати акрихін і риванол:
Акрихін знайшов застосування nпри лікуванні малярії, nриванол – бактерицидний препарат.
Шестичленних гетероциклічних nсполук з двома гетеро атомами
Ароматичні шестичленні гетероциклічні nсполуки, що містять у своїй структурі nв якості гетероатомів два атоми азоту, називаються діазинами.
Для цих сполук частіше nзастосовують тривіальні назви: nпіридазин, піримідин, піразин. Як видно з наведених формул, ці nтри діазини є ізомерами. Існують також шестичленні гетероцикли, що містять у своїй структурі в якості гетероатомів атоми азоту nі кисню або азоту і сірки, наприклад:
Оксазін і тіазин не володіють ароматичним nхарактером і за своїми властивостями nнагадують ациклічні сполуки, що містять аналогічні функціональні групи.
Піридазін, піримідин і піразин nявляють собою ароматичні сполуки, nбагато в чому нагадують піридин. Наявність в nмолекулах двох атомів азоту nпіридинового nтипу, які дезактивують nодин одного, приводить до того, що ці гетероциклічні сполуки nє більш слабкими основами, nніж піридин. Незважаючи nна наявність двох основних центрів в молекулі, діазини утворюють солі з одним еквівалентом мінеральної кислоти:
У реакції електрофільного nзаміщення ці гетероцикли nвступають із затрудненням. Реакції SE можливі тільки при наявності в молекулі сильних електронодонорних заступників, таких як –NH2–група, -ОН-група та інші, nздатних проявляти + М-ефект.
Реакції ж нуклеофільного nзаміщення SN протікають nлегко.
ПІРИДАЗИН
Піридазин (1,2–Діазин) n- це безбарвна рідина з tкип = 207 °С. Піридазин і його nпохідні отримують реакцією конденсації гідразину nз 1,4-дикарбонільними сполуками (насиченими чи ненасиченими):
З мінеральними кислотами і алкілгалогенідами піридазін утворює солі по одному атому nазоту:
Подібно піридину при дії пероксикислот nутворює N-оксид:
При відновленні або каталітичному гідруванні відбувається розкриття циклу і утворюється тетраметилендіамін:
Похідні піридазину застосовуються nв якості лікарських препаратів nі гербіцидів.
ПІРАЗИН
Піразин (1,4-діазін) – безбарвна кристалічна речовина з tпл = 57 °С. Піразин nі його похідні nотримують реакцією конденсації 1,2-діаміну з 1,2-дікарбонільними сполуками:
На першій стадії nутворюється 2,3-дігідропіразин, який легко окислюється до піразину.
Як і піридазин, nпіразин є слабкою nосновою і утворює солі з кислотами по одному атому азоту, при nвзаємодії з пероксикислоти окислюється nдо N–оксиду:
При відновленні піразину воднем у момент виділення nутворюється циклічний діамін – піперазин:
Піперазин – сильна основа, nщо володіє властивостями вторинних аліфатичних амінів, утворює солі з двома nеквівалентами кислоти. Піперазину адипінат застосовують як глистогінний засіб.
nЗ похідних піперазину відзначимо циклічні аміди α-амінокислот, які nназивають дикетопіперазинами.
Відновленням nдикетопіперазину отримують піперазин.
ПІРИМІДИН
Піримідин (1,3-Діазин) n–кристалічна речовина з tпл = 225 °С, легкорозчинна nу воді, етанолі. Утворює nсолі з одним еквівалентом nсильних кислот:
Реакції електрофільного nзаміщення протікають з великими труднощами, тільки за наявності в nмолекулі електронодонорних замісників, при цьому реакція SE nпротікає по положенню 5:
Атоми азоту піридинового nтипу, внаслідок електроноакцепторної nдії, зумовлюють загальне зменшення nелектронної щільності і насамперед у nположеннях 2, 4, n6, що сприяє nпротіканню реакцій нуклеофільного заміщення SN:
Піримідин отримують реакцією взаємодії сечовини nз малоновим ефіром nза наступною схемою:
Барбітурова кислота (2,4,6-трігідроксіпіримідин) nє похідним піримідину, і з неї можна його отримати, діючи nтрихлороксидом фосфору з подальшим відновленням.
Барбітурова nкислота
Найважливіше похідне піримідину. nЦе циклічний уреїд nмалонової кислоти, малонілсечовина. Являє собою безбарвну кристалічну речовину, легко розчиняється в nтеплій воді, важко – в холодній. В результаті лужного nгідролізу барбітурова кислота nрозкладається, утворюючи малонову кислоту, NH3 nта СО2. nЦя реакція свідчить про неароматичнйх характер сполуки.
Група–СН2-(метиленова група) у положенні 5 володіє високою nреакційною здатністю. Метиленова група nв барбітурової кислоти nфланкирована з обох сторін кетогрупами, які підвищують рухливість nатомів водню.
Барбітурова кислота – це таутомерна речовина. Для nнеї характерні два види таутомерії: кето–енольна і лактам–лактимна.
Таким чином, барбітурова кислота існує nу двох таутомерних nформах: тріоксоформі і тригідроксиформі:
Говорячи про барбітурової кислоти, слід зазначити, що вона в n5-6 разів сильніша, ніж оцтова. Кислотність барбітурової nкислоти обумовлена існуванням рухливих nатомів водню в 5 положенні. Якщо один з атомів водню заміщений nна радикал, то nсила кислоти дещо nзменшується, при заміні ж двох атомів водню сила nкислоти різко знижується.
Використовуючи в якості вихідних продуктів nпохідні малонової кислоти, можна отримати nреакцією конденсації з сечовиною цілий ряд фармацевтичних препаратів.
Наприклад:
До похідних піримідину слід віднести аллоксан, який виходить при конденсації мезоксалевой кислоти і сечовини.
Важливими похідними піримідину є nпіримідинові основи, які входять до складу nнуклеїнових кислот:
Сплавляння солей барбітурової кислоти з натрію nгідроксидом.
Відчувають характерний запах nамоніаку. Пари амоніаку забарвлюють червоний лакмусовий папір, змочений nводою, у синій колір:
Отриманий сплав nрозчиняють у воді і підкислюють розведеною сульфатною кислотою. Спостерігають виділення бульбашок nгазу карбону (IV) оксиду і відчувають запах nпрогірклої олії (вільна діетилоцтова кислота):Ця реакція підтверджує будову похідних барбітурової кислоти як циклічних уреїдів, які при nсплавленні з кристалічним натрію гідроксидом піддаються розщепленню.
Взаємодія nбарбітуратів з розчином натрію гідроксиду.
Розчин стає nпрозорим, що зумовлено утворенням водорозчинних моно- і динатрієвої солей n5,5-діетилбарбітурової кислоти. Динатрієва сіль 5,5-діетилбарбітурової кислоти nу водному розчині гідролізується. Рівновага в реакції зміщена в бік утворення nмононатрієвої солі 5,5-діетилбарбітурової кислоти:
Взаємодія nбарбітуратів з аргентуму нітратом.
Спостерігають утворення nбілого осаду моносрібної солі барбіталу, який зникає при струшуваннірозчину:Розчинення однозаміщеної nсрібної солі 5,5-діетилбарбітурової кислоти зумовлене присутністю в розчині мононатрієвої солі й утворенням розчинної срібно-натрієвої солі n5,5-діетилбарбітурової кислоти:
При подальшому додаванні 2 %-вого розчину аргентуму nнітрату спостерігають виділення білого осаду дисрібної солі n5,5-діетилбарбітурової кислоти, який не зникає приструшуванні:Ця реакція загальногрупова і дозволяє nпідтвердити автентичність лікарських препаратів — похідних барбітурової nкислоти.
Ідентифікація nфенобарбіталу.
Фенобарбітал – безбарвна прозора nрідина зі специфічним ароматом.
ІДЕНТИФІКАЦІЯ
n Зявляється nфіолетово-синє забарвлення і утворюється асад:
Миттєво nз’являється блідо-бузкового кольору, який не змінюється при стоянні:
Розчинність сечової nкислоти та її солей у воді.
Розчин nстає прозорим унаслідок утворення добре розчинної у воді динатрієвої солі сечовоїкислоти:До отриманого розчину додають 1 краплю nнасиченого розчину амонію хлориду і спостерігають утворення білого осаду діамонієвої nсолі сечової кислоти — амонію урату: Утворення кислої nнатрієвої солі сечової кислоти.
Під мікроскопом вивчають характерні голчасті кристали кислого натрію урату:
Мурексидна nреакція.
Спостерігають появу nпурпурно-фіолетового забарвлення.
Мурексидна реакція є загальногруповою реакцією на пурин та його похідні: Відмінна реакція nN–метилксантинів.
У nпробірці з теоброміном з’являється швидко nзникаюче фіолетове забарвлення і nвиділяється сірувато-блакитний осад кобальтової солі.
– nТеофілін у цих умовах nутворює кобальтову сіль — білий осад з рожевим відтінком:
Список рекомендованої літератури:
Основна:
1. nЧерних nВ.П., Зіменковський Б.С., Гриценко І.С. nОрганічна хімія /За заг. ред. В.П. Черних. – 2-ге вид., випр. і nдоп. – X: Вид-во НФаУ; Оригінал, 2008. – 752 с.
2. nЮ.О. Ластухін, С.А. Воронов. Органічна хімія. – Львів “Центр Європи”, 2006. – 864 с. 3. В.П.Черних, nI.С.Гриценко, М.О.Лозинський, З.І.Коваленко Загальний практикум з органічної хімії: Навч. посіб. для студ. ВНЗ III -IV рівнів акредитації /Під nзагальн. ред. В.П.Черних. – X.: Вид-во НФаУ; Золоті nсторінки, 2003. – 592 с.
3. nВ.Л. nБелобородов, С.Е. Зурабян, А.П.Лузин, Н.А. Тюкавкина. Органическая химия. – nМосква «Дрофа», 2003. – 639 с.
4. nН.Н. nАртемьева, В.Л. Белобородов, С.Е. Зурабян, А.А.Кост, А.П.Лузин, В.Е. Ручкин, nИ.А.Селиванова, Н.А. Тюкавкина Руководство nк лабораторным занятиям по органической химии. – Москва «Дрофа», 2002. – 384 с.
Додаткова:
1. nБерезин Б. Д. Курс современной органической химии. n– М.: Высшая школа, 2003.–768 с.
2. nРобертс Дж., Касерио nМ. Основы nорганической химии: В 2 кн. /Пер. с англ. /Под ред. А.Н. Несмеянова. – М.: Мир. n1968.
3. nМарч Дж. Органическая химия: В 4 т. – М.: Мир, n1987,
4. nГауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. – М.: Химия, n1979. – 832 с.
5. nШабаров Ю.С. Органическая химия: В 2 кн. – М.: nХимия, 1996. – 847 с.
6. nФизер Л., Физер М. Органическая химия: В 2 кн. – М.: nХимия, 1969.
7. nНайдан В.М. Органічна хімія (Малий лабораторний nпрактикум). – Київ, 1994. – 336 с.
8. nНекрасов В.В. Руководство к малому практикуму по nорганической химии. – М.: Химия, 1964.
9. nГолодников Г.В., Мандельштам Т.В. Практикум по органическому синтезу. – nИздательство ЛГУ имени А.А. Жданова, 1976.
