414

3) Кислотные свойства

Индол представляет собой слабую NH-кислоту (рКа=17) и образует соли при действии сильных оснований, например:

3. Шестичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом

Пиридин, хинолин, изохинолин

О бразуя названия производных пиридина и его бензологов, используют нумерацию цикла. В случае пиридина используют также буквы греческого алфавита. Некоторые производные имеют тривиальные названия.

хинолин изохинолин

Методы получения

Синтез хинолина по Скраупу

Метод состоит во взаимодействии первичных ароматических аминов с глицерином в присутствии дегидратирующего реагента и окислителя. Классический синтез Скраупа может быть выражен следующей схемой.

Н а первой стадии происходит катализируемая серной кислотой дегидратация глицерина с образованием ,-непредельного альдегида, акролеина. Второй стадия - сопряженное присоединение анилина к акролеину. Третья стадия – замыкание цикла путем электрофильной атаки карбонильной группы по ароматическому кольцу. На заключительных стадиях происходит дегидратация и окисление образующегося 1,2-дигидрохинолина в хинолин. В качестве окислителя удобно использовать нитросоединение, соответствующее исходному амину. Для снижения экзотермичности реакции, которая протекает очень бурно, в реакционную смесь добавляют FeSO₄.

Синтез хинолина по Дебнеру-Миллеру

Э тот метод, как и реакция Скраупа, основан на взаимодействии ароматических аминов с ,-непредельными карбонильными соединениями. Ненасыщенные карбонильные соединения получают непосредственно в реакционной смеси из альдегидов и кетонов путем кротоновой конденсации. Окислителями промежуточно образующихся 1,2-дигидрохинолинов являются альдимины, образующиеся при взаимодействии исходных карбонильных соединения с ароматическим амином.

Физические свойства и строение

Пиридин – бесцветная жидкость с неприятным запахом, растворим в воде. Хинолин и изохинолин – бесцветные жидкости, малорастворимы в воде.

П иридин представляет собой ароматическую 6-электронную систему, подобную ароматической системе бензола. Все атомы цикла, в то числе и атом азота, находятся в состоянии sp²-гибридизации и предоставляют р-орбитали для образования замкнутой сопряженной -системы. Неподеленная пара электронов атома азота лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости -системы кольца, и не принимает участия в создании ароматического секстета.

-МО пиридина подобны орбиталям бензола, но имеются следующие отличия. Во-первых, -орбитали пиридина имеют более низкую энергию, что обусловлено большей электроотрицательностью атома азота по сравнению с атомом углерода. Во-вторых, высшие занятые молекулярные орбитали (ВЗМО) ₂ и ₃ у бензола вырождены, а соответствующие орбитали пиридина имеют разную энергию. Орбиталь ₂ со значительным коэффициентом на атоме азота ниже по энергии, чем орбиталь ₃ с нулевым коэффициентом на атоме азота.

Атом азота действует как акцептор по индуктивному механизму, что приводит к снижению электронной плотности на атомах углерода пиридиниевого кольца по сравнению с бензолом. Поэтому пиридин относят к -дефицитным гетероциклам.

Пиридин обладает значительной энергией делокализации, сравнимой с энергией делокализации бензола. Это свидетельствует о высокой стабильности циклической системы пиридина, в чем он превосходит пятичленные ароматические гетероциклы – пиррол,фуран и тиофен.

Хинолин и изохинолин являются электронными аналогами нафталина. Они содержат -электронную систему из 10 -электронов и могут быть к отнесены к ароматическим гетероциклам. Присутствие атома азота снижает электронную плотность главным образом на атомах углерода пиридиниевого цикла.

Химические свойства

1. Реакции по атому азота

Наличие у атома азота пиридина и его бензологов свободной пары электронов, не участвующей в сопряженной системе, обусловливает их основные и нуклеофильные свойства.

П иридин и хинолин являются слабыми основаниями и с сильными кислотами образуют соли пиридиния и хинолиния.

По основности пиридин и его бензологи уступают алифатическим и алициклическим аминам и близки к ароматическим аминам.

p 11,25 5,23 5,14 4,94 4,58

Для пиридина и его бензологов характерно образование комплексов с кислотами Льюиса, которые в большинстве своем служат мягкими электрофильными агентами, например:

сульфирующий агент	мягкий  восстановитель	мягкий нитрующий агент	фторирующий агент

Нуклеофильность атома азота проявляется в его способности к алкилированию. При алкилировании образуются устойчивые соли алкилпиридиния и алкилхинолиния:

2) Реакции электрофильного замещения

Пиридин

Реакции электрофильного замещения в пиридине идут с большим трудом, что обусловлено -дефицитностью ядра и способностью атома азота образовывать соли с протонными кислотами и комплексы с кислотами Льюиса, что еще больше уменьшает нуклеофильность ядра. По реакционной способности к электрофильному замещению пиридин напоминает нитробензол. Замещение идет по положению 3, что вытекает из рассмотрения резонансных структур -комплексов, ведущих к продуктам замещения в положения 2, 3 и 4.

Н есмотря на то, что в резонансной стабилизации промежуточного катиона при электрофильной атаке как при замещении по положению 3, так и по положениям 2 и 4, участвует одинаковое число мезомерных структур, в последних двух случаях катионы с положительным зарядом на иминном атоме азота крайне невыгодны.

П иридин нитруется, сульфируется и галогенируются в очень жестких условиях. Только процессы галогенирования и сульфирования идут с удовлетворительными выходами. Алкилирование и ацилирование в кольцо провести не удается.

Хинолин

Реакции электрофильного замещения идут по наименее электронодефицитному бензольному кольцу преимущественно в положения 5 и 8. В условиях термодинамического контроля, например, при сульфировании выше 300⁰С, основным продуктом будет более стабильный 6-изомер.

3) Реакции нуклеофильного замещения

Реакции нуклеофильного замещения для пиридиниевого цикла наиболее характерны. Пиридиниевый атом азота оказывает на ядро активирующее действие, подобно нитрогруппе в бензольном кольце. Нуклеофильное замещение протекает по механизму присоединения-отщепления (S_NAr). Наиболее активированными являются положения 2 и 4. При атаке нуклеофила по этим положениям образуются наиболее стабильные анионные интермедиаты, в которых атом азота участвует в делокализации отрицательного заряда.

В хинолине к нуклеофильному замещению также активированы положения 2 и 4.

Под действием таких сильных нуклеофилов, как амиды металлов и металлоорганические соединения, в пиридине и хинолине возможно замещение гидрид-иона. Аминирование пиридина и хинолина амидами металлов носит название реакции Чичибабина. Процесс проводят путем нагревания реагентов в инертном растворителе. Механизм реакции – присоединение –отщепление.

А налогично реагирует хинолин с образованием 2-аминохинолина.

П ри действии на пиридин и хинолин фениллития водород в положении 2 замещается на фенильную группу.

4) Восстановление

К аталитическое гидрирование пиридина дает пиперидин.

П ри гидрирование хинолина в первую очередь восстанавливается пиридиниевый цикл и образуется 1,2,3,4-тетрагидрохинолин.

5) Окисление

Я дро пиридина устойчиво к действию окислителей. Алкилпиридины могут быть окислены до пиридинкарбоновых килот.

П ри окислении хинолина и изохинолина в первую очередь, как правило, разрушается бензольное кольцо.

Окисление пиридина и хинолина пероксидом водорода и надкислотами приводит к N-оксидам.

6 ) Реакции N-оксидов пиридина и хинолина

О бразование N-оксида облегчает электрофильное замещение и меняет его ориентацию. Нитрование N-оксида пиридина идет в положение 4, так как образующийся при атаке электрофилом по этому положению интермедиат стабилизирован с участием атома кислорода. Если учесть возможность последующей дезоксигенации N-оксидов действием PCl₃ или NO, то такой синтетический подход очень удобен для получения пиридинов, содержащих заместители в -положении:

N -оксид хинолина также легко нитруется в положение 4. N-Оксидная группировка способствует и нуклеофильному замещению, что дает возможность легко замещать введенную таким образом нитрогруппу на различные нуклеофилы:

7) Реакции метилпиридинов

А том азота в пиридиниевом кольце оказывает влияние на подвижность -водородных атомов в алкилпиридинах. Метилпиридины обладают большей СН-кислотностью, чем толуол. СН-кислотность атомов водорода метильных групп в 2- и 4-метилпиридинах сравнима с кислотностью метилкетонов. Повышенная протонная подвижность водорода метильных групп в 2- и 4- метилпиридинах может быть объяснена стабилизацией сопряженных оснований с участием атома азота, что следует из рассмотрения их резонансных структур.

В этом отношении анионы метилпиридинов пободны енолят-анионам. В присутствии оснований 2- и 4- метилпиридины выступают в реакции альдольно-кротоновой конденсации в роли метиленовые компоненты.

А налогичными свойствами обладают 2- и 4- метилхинолины.