Учебник Органическая химия Щеголев 2016

Алкилирование аминопиридинов протекает по кольцевому атому азота, а ацилирование — по азоту аминогруппы. Все аминопиридины легко вступают в SE-реакции по кольцу, причѐм место вступления электрофила определяется ориентацией аминогруппы.

-Аминопиридин при взаимодействии с азотистой кислотой превращается в соответствующую соль диазония. В случае - и -амино-пиридинов соли диазония легко гидролизуются в пиридоны. Причиной тому можно считать высокие эффективные положительные заряды на - и -атомах пиридинового кольца, создаваемые акцепторным влиянием азота, что в свою очередь приводит к дестабилизации катиона диазония. Здесь, как и в гидроксильных производных пиридина, -изомер в большей степени проявляет свойства функциональных производных ароматического ряда, чем - и - производные.

Свойства галогенопроизводных пиридина также в значительной степени зависят от положения атома галогена в пиридиновом кольце. В - и - положениях нуклеофильное замещение протекает значительно легче (возможна прямая нуклеофильная атака по этим атомам углерода — механизм SN2), а галоген в -положении, как и в неактивированном бензольном кольце, может замещаться только в очень жѐстких условиях, по ариновому механизму. Например, для 2,3-дихлорпиридина нагревание с метиламином даѐт исключительно продукт замещения по -атому:

Пиридинкарбоновые кислоты (пиколиновая, никотиновая и изоникотиновая) во многом представляют собой типичные ароматические карбоновые кислоты. Однако из-за наличия в их молекулах атома азота в качестве основного центра они могут существовать и в виде внутренней соли (как типичные аминокислоты).

Различия в свойствах карбоксильных групп, находящихся в различных положениях пиридинового цикла, проявляются по отношению к нагреванию, и это можно проиллюстрировать следующим примером:

661

12.4.5. ХИНОЛИН И ИЗОХИНОЛИН

Хинолин и изохинолин — это конденсированные системы, состоящие из пиридинового цикла и бензольного кольца. Поэтому их названия как конденсированных систем:

Хинолин и изохинолин являются азотоаналогами нафталина, и нумерация атомов в их молекулах проводится так же, как и в молекуле нафталина: в хинолине, начиная с гетероатома, а в изохинолине атом азота имеет номер 2.

Хинолин, изохинолин и их производные — это бесцветные жидкости и низкоплавкие вещества, малорастворимые в воде и имеющие своеобразный запах.

12.4.5.1. Строение

Хинолин и изохинолин, так же, как и их углеродный аналог нафталин, представляют бициклические сопряжѐнные системы из 10 -элек-тронов. Присутствие атома азота значительно изменяет распределение электронной плотности. Электроноакцепторное влияние атома азота главным образом распространяется на цикл пиридина. Поэтому электронная плотность на бензольном кольце понижена в незначительной степени, а наибольший положи-

662

тельный заряд возникает в положении 2 молекулы хинолина и в положении 1 изохинолина:

12.4.5.2. Химические свойства

Как и пиридин, хинолин и изохинолин являются типичными основаниями с константами основности, близкими к таковым для пиридина. Образование солей протекает аналогично пиридину. Например, для хинолина:

H

хлорид хинолиния

Реакции алкилирования и окисления по атому азота протекают в тех же условиях и при участии тех же реагентов, что и для пиридина. Например, для хинолина:

O -

Однако хинолин и изохинолин могут окисляться под действием сильных окислителей (KMnO4, HNO3) с разрушением одного цикла, обычно бензольного. Но окисление изохинолина щелочным раствором перманганата калия приводит к смеси двух кислот.

663

Реакции электрофильного замещения для обоих соединений протекают по бензольному кольцу, обычно по атомам С5 и С8. Но если при нитровании хинолина образуется примерно эквимолярная смесь 5- и 8-нит-рохинолинов,

то нитрование изохинолина даѐт преимущественно 5-нитро-производное:

NO2

Сульфирование при обычных температурах (90 230 С) также приводит к образованию хинолин-5-сульфокислоты и хинолин-8-сульфокислоты (главным образом, 8-производного), но эти изомеры при нагревании выше 260 С переходят в более термодинамически стабильную 6-сульфоновую кислоту.

Галогенирование хинолина и изохинолина в условиях реакции электрофильного замещения (в присутствии кислотных катализаторов) также приводит к 5- и 8-производным. Введение атома галогена в пиридиновое кольцо происходит в значительно более мягких условиях. Так, бромирование хинолина и изохинолина в присутствии незначительных количеств HCl даѐт 3-бромхинолин и 4-бромизохинолин соответственно. Механизм процесса на примере изохинолина можно представить в следующем виде:

H Br

664

4-бромизохинолин

Нуклеофильное замещение атома водорода идѐт наиболее легко в положение С2 хинолина и С1 изохинолина. Так, например, протекают реакция А.Е. Чичибабина и взаимодействие со щѐлочью для хинолина:

NaNH2 / NH3

N NH2

N

KOH,513 K

Для хинолина и изохинолина возможно гидрирование как пиридинового цикла, так и бензольного кольца. Восстановить пиридиновый цикл до тетрагидропиридинового можно боргидридами металлов или каталитически водородом в метаноле. Однако каталитическое гидрирование в растворе сильных кислот приводит к первоначальному селективному восстановлению бензольного кольца, а затем — к продукту исчерпывающего гидрирования — декагидропроизводному. Например, для хинолина:

H2 / Pt, HCl

N N

H

12.4.6. -ПИРАН И -ПИРАН И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ

665

Пираны — это ненасыщенные гетероциклические кислородосодержащие соединения. Возможно существование двух таких изомеров —-пирана и -пирана (или, соответственно 2Н-пиран и 4Н-пиран):

Циклы пиранов содержат один насыщенный атом углерода ( -атом в-пиране и, соответственно, -атом в -пиране), поэтому в их молекулах отсутствует полное циклическое сопряжение и эти соединения не могут относиться к ароматическим.

Пираны широкого распространения и практического использования не имеют. Однако более распространены соли катиона пирилия и оксопроизводные пиранов — пироны:

O

Строение катиона пирилия подобно строению катиона пиридиния (и молекулы пиридина). Здесь имеет место циклическая сопряжѐнная 6- - электронная система. Отличие от молекулы пиридина — это присутствие в катионе пирилия сильно электроотрицательного атома кислорода в оксониевой форме. Это вызывает сильнейшую поляризацию связей и высокую реакционную способность по отношению к нуклеофилам. Реакции электрофильного замещения для них неизвестны.

Обычно местом нуклеофильной атаки в катионе пирилия является атом С2, но возможны реакции и по атому С4. Присоединение нуклеофила в положение 2 влечѐт за собой, как правило, раскрытие цикла, но возможно последующее его замыкание с образованием другой циклической системы:

666

-Пироны являются одновременно -лактонами и сопряжѐнными диенами. Поэтому они проявляют свойства сложных эфиров и вступают, например, в реакцию диенового синтеза как сопряжѐнные диены.

-Пироны способны расщепляться под действием щѐлочи, аммиака, аминов. Местом нуклеофильной атаки является положение 2. Механизм процесса аналогичен приведѐнному выше взаимодействию катиона пирилия с аммиаком.

12.4.7. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Пиридин, хинолин, изохинолин и их метильные производные содержатся в каменноугольной смоле, откуда их выделяют при промышленном получении.

Пиридиновое кольцо входит в структуру многих природных соединений — витаминов, алкалоидов, нуклеиновых кислот, и поэтому некоторые производные пиридина могут быть получены путѐм превращений исходных природных соединений.

Для синтетического получения пиридина, хинолина, изохинолина, их производных, а также кислородосодержащих гетероциклических соединений используют исходные вещества, содержащие структурные фрагменты необходимого гетероцикла. Некоторые примеры таких синтезов.

1. Частично гидрированные алкилпиридины могут быть получены конденсацией -дикарбонильных соединений с аммиаком.

Реакция начинается как нуклеофильное присоединение аммиака к молекуле дикарбонильного соединения, образованием иминосоединения и затем внутримолекулярное нуклеофильное присоединение с атакой иминогруппы по карбонильной группе.

2. Синтез Ганча представляет собой получение замещѐнных пиридинов конденсацией эфиров -оксокислот с альдегидами и аммиаком.

667

R' N R'

H

Образовавшийся по данной схеме цикл дигидропиридина может быть далее дегидрирован до пиридинового цикла. Вместо эфира -кетокислот здесь могут быть использованы другие -дикарбонильные соединения (малоновый эфир, ацетилацетон) и эфиры циануксусной кислоты.

3. Пиридин может быть получен циклизацией ацетилена с циановодородом:

2 CH CH + H C N

N

Реакция аналогична получению бензола, протекает при высоких температурах, но представляет только теоретический интерес.

4. Синтез хинолина по Скраупу* (синтез Скраупа или реакция Скрау-

па) осуществляют, используя первичные ароматические амины, глицерин и концентрированную серную кислоту (60 85%-ю) в присутствии слабых окислителей (нитробензола или соответствующих ароматических нитросоединений или других окислителей).

Первоначально из глицерина под действием серной кислоты образуется акролеин, который затем взаимодействует с ариламином:

668

5. Одним из синтетических способов получения изохинолина является реакция Бишлера*–Напиральского, в которой в качестве исходного используется 2-фенилэтан-1-амин:

6. Соли пирилия (производные пирана) обычно получают из , - ненасыщенных карбонильных соединений и метилкетонов в присутствии уксусного ангидрида и сильной кислоты (HClO4) :

669