Chinolin, auch Azanaphthalin oder Benzo[b]pyridin genannt, ist eine organische Verbindung aus der Gruppe der Heteroaromaten und gehört zu den zweikernigen heterocyclischen Stammsystemen. Sie besteht aus zwei anellierten aromatischen sechsgliedrigen Ringen – einem Benzol- und einem Pyridinring –, woraus sich die Summenformel C9H7N ergibt. Formal handelt es sich somit um ein Naphthalinmolekül, bei welchem ein Kohlenstoffatom des Ringgerüsts durch ein Stickstoffatom ausgetauscht wurde. Chinolin ist eine farblose, wasserbindende Flüssigkeit mit unangenehmem, stechendem Geruch. Als Heteroaromat weist Chinolin bezüglich der elektrophilen aromatischen Substitution eine geringere Reaktivität als Naphthalin auf, geht jedoch im Vergleich leichter nukleophile aromatische Substitutionen ein.
Chinolin ist in Steinkohlenteer enthalten und kann aus Kohle ausgetrieben werden. Es existieren zahlreiche natürliche Derivate des Chinolins, welche oftmals als Alkaloide in Pflanzen anzutreffen sind (siehe Chinolin-Alkaloide). Zu dieser Gruppe gehören die China-Alkaloide mit Chinin als bekanntestem Vertreter. Chinolin wurde erstmals 1834 von Friedlieb Ferdinand Runge aus Steinkohlenteer in reiner Form isoliert. 1842 wurde es von Charles Frédéric Gerhardt durch den Abbau des Alkaloids Cinchonin erhalten, von welchem sich auch die Bezeichnung Chinolin ableitet.
Chinolin ist ein bedeutender Grundstoff in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Es wird zur Herstellung von Arzneimitteln, Herbiziden und Fungiziden sowie als basisches Lösungsmittel eingesetzt. Obwohl mehrere synthetische Zugänge zu Chinolin bekannt sind, wird aus ökonomischen Gründen bis heute noch ein Großteil des weltweiten Chinolinbedarfs durch Isolation aus Steinkohlenteer gedeckt.
Geschichte mini|hochkant|links|Friedlieb Ferdinand Runge Die Isolierung reinen Chinolins gelang erstmals Friedlieb Ferdinand Runge im Jahre 1834. Dieser extrahierte es aus Steinkohlenteer und gab der Verbindung den Namen Leucolin. 1842 wurde Chinolin ein zweites Mal von Charles Frédéric Gerhardt entdeckt, der die Zersetzungsprodukte von ChininCh. Gerhardt: Untersuchungen über die organischen Basen. In: Annalen der Chemie und Pharmacie, 1942, 42, S. 310–313; doi:10.1002/jlac.18420420310. und CinchoninCh. Gerhardt: Untersuchungen über die chemische Classification der organischen Substanzen. In: J. Prakt. Chem., 1843, 28, S. 65–100; doi:10.1002/prac.18430280112. durch Einwirkung von Alkalien analysierte und vermeintlich in beiden Fällen die gleiche, seiner Kenntnis nach bis dato unbekannte chemische Verbindung erhielt.
Die Namensgebung erfolgte in Anlehnung an die Verbindungen Chinin und Cinchonin, aus welchen er Chinolin gewonnen hatte. 1843 bezeichnete Gerhardt die Verbindung als Chinoleïn, später wurde auch Quinolein (vergleiche auch ) verwendet.Monatsbericht: Chinolin. In: Archiv der Pharmazie, 1882, 20, S. 50–73; doi:10.1002/ardp.18822200109. Gerhardt irrte jedoch in der Annahme, dass Chinolin als Abbauprodukt sowohl von Chinin als auch von Cinchonin auftritt, denn wie später gezeigt wurde entsteht durch Zersetzung von Chinin ein methoxyliertes Chinolinderivat, wohingegen nur der Abbau von Cinchonin unsubstituiertes Chinolin liefert.W. Königs: Oxydationsprodukte des Cinchonins. In: Chem. Ber., 1879, 12, S. 79–101; doi:10.1002/cber.18790120130. Die molekularen Strukturen von Runges Leucolin und Gerhardts Chinolin war zum Zeitpunkt der Entdeckung noch unbekannt. Erst 1882 wurde die Identität der beiden Verbindungen durch Hoogewerff und van Dorp eindeutig geklärt.S. Hoogewerff, W. A. van Dorp: Sur la quinoléine du goudron de houille et des alcaloïdes du quinquina, et sur leur oxydation au moyen du permanganate de potassium. In: Rec. Trav. Chim., 1882, 1, S. 1–17; doi:10.1002/recl.18820010501.
Ab diesem Zeitpunkt begann sich die Bezeichnung Chinolin durchzusetzen.Paul Rabe: Untersuchungen in der Pyridin- und Chinolinreihe. In: J. Prakt. Chem., 1938, 151, S. 65–81; doi:10.1002/prac.19381510203.
Die Aufklärung der Molekularstruktur des Chinolins gelang im Jahre 1879. Zuvor wurde bereits postuliert, bei Chinolin handele es sich um Naphthalin, bei welchem ein Kohlenstoffatom des Rings durch Stickstoff ersetzt sei. Da Naphthalin einige Jahre zuvor durch Cyclisierung von 4-Phenyl-1-buten dargestellt werden konnte,B. Aronheim: Synthese des Naphthalin. In: Chem. Ber., 1873, 6, S. 67–68; doi:10.1002/cber.18730060125. könnte diese Hypothese durch die analoge Cyclisierung von N-Allylanilin zu Chinolin bestätigt werden. Dies gelang Koenigs im Jahre 1880 unter Verwendung von Blei(II)-oxid,W. Koenigs: Synthese des Chinolins aus Allylanilin. In: Chem. Ber., 1879, 12, S. 453; doi:10.1002/cber.187901201128. wodurch die postulierte Struktur von Chinolin als Naphthalin-Analogon erhärtet werden konnte.
In den folgenden Jahrzehnten wurden in zahlreichen Untersuchungen die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Verbindung geklärt und verschiedene Synthesewege für Chinolin und dessen Derivate etabliert.
Vorkommen mini|191px|Chinarinde (Cinchona officinalis) Chinolin kommt in der Natur praktisch nicht frei vor, bildet jedoch das Grundgerüst zahlreicher Naturstoffe, aus denen es durch Abbaureaktionen freigesetzt werden kann. Hierzu gehört die Gruppe der China-Alkaloide, welche in hoher Konzentration in Chinarindenbäumen auftreten.M. Hesse: Alkaloide. 1. Auflage. Verlag Helvetica Chimica Acta, Zürich 2000, ISBN 3-906390-19-5, S. 375–378. Chinolin findet sich zu etwa 0,3 % – zusammen mit vielen weiteren heterocyclischen Verbindungen – im Steinkohlenteer, einem Nebenprodukt der Koksgewinnung aus Steinkohle. In Tabakrauch ist Chinolin analytisch nachweisbar.
Nomenklatur mini|191px|Nummerierung der Ringatome Neben Chinolin sind auch die Bezeichnungen Benzopyridin und 1-Azanaphthalin gelegentlich anzutreffen. Benzopyridin beschreibt das Molekül als Pyridin mit anelliertem Benzolring und ist ohne weitere Qualifikatoren nicht eindeutig, da diese Bezeichnung auch auf das isomere Isochinolin zutrifft; korrekt und eindeutig ist Benzo[b]pyridin. 1-Azanaphthalin beschreibt Chinolin als Derivat von Naphthalin, bei welchem das Kohlenstoffatom (oder besser die Methingruppe) in 1-Position durch ein Stickstoffatom ausgetauscht wurde. Im Gegensatz zu Benzopyridin ist diese Bezeichnung eindeutig.
Die Nummerierung der Ringatome folgt der allgemeinen Regel für mehrkernige aromatische Systeme. Hierbei wird die Zählung am höchstrangigen Stammsystem begonnen, welches im vorliegenden Fall der Pyridinring ist. Dem Stickstoffatom wird hierbei als Heteroatom die höchste Priorität und damit eine möglichst kleine Nummer zugewiesen. Im Falle des Chinolins besitzt das Stickstoffatom die Nummer 1 und die Kohlenstoffringatome des Pyridinrings werden von dort aus fortlaufend mit 2–4 durchnummeriert. Die Zählweise wird fortlaufend im Benzolring weitergeführt, wobei die Brückenatome übersprungen werden. Diesen werden nach dem allgemeinen Nummerierungsschema für kondensierte Ringsysteme die Bezeichnungen 4a und 8a zugewiesen.D. Hellwinkel: Die systematische Nomenklatur der Organischen Chemie. 4. Auflage. Springer Verlag, Berlin 1998, ISBN 3-540-63221-2.
Die systematische Bezeichnung des Chinolinrestes lautet Chinolyl, wobei die Position der Verknüpfung als Zahl vorangestellt wird. Analog dem Pyridinrest (Pyridyl anstatt systematisch Pyridinyl) wird die systematische Bezeichnung Chinolinyl nur selten verwendet. Die Verschmelzungskomponente von Chinolin als Stammsystem in kondensierten polycyclischen aromatischen Systemen lautet Chino.
Gewinnung und Darstellung Chinolin kann ebenso wie eine Reihe weiterer heterocyclischer Stickstoffbasen (beispielsweise PyridinA. Gossauer: Struktur und Reaktivität der Biomoleküle, 2006, S. 488, Wiley-VCH Weinheim, ISBN 3-906390-29-2. und PyrrolG. Lunge: Die Destillation des Steinkohlentheers und die Verarbeitung der damit zusammenhängenden Nebenproducte, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1867.) aus Steinkohlenteer gewonnen werden, in welchem es zu 0,3 % enthalten ist. Im Gegensatz zu Pyridin, dessen weltweiter Bedarf heutzutage im Wesentlichen durch synthetische Verfahren gedeckt wird,S. Shimizu, N. Watanabe, T. Kataoka, T. Shoji, N. Abe, S. Morishita, H. Ichimura: Pyridine and Pyridine Derivatives. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2005. erfolgt die Gewinnung von Chinolin auch heute noch zu großen Teilen aus Steinkohlenteer. Durch fraktionierte Destillation geht es zusammen mit Isochinolin und Chinaldin in der Methylnaphthalin-Fraktion über, aus welcher es mit Schwefelsäure zusammen mit Methylnaphthalin und Isochinolin extrahiert wird. Die anschließende Abtrennung vom Methylnaphthalin erfolgt durch Ausfällung mit Ammoniak. Auf Grund des um 6 °C höheren Siedepunkts von Isochinolin kann das verbleibende Gemisch aus Chinolin und Isochinolin durch Rektifikation aufgetrennt werden. Zur weiteren Aufreinigung von Chinolin bestehen verschiedene Möglichkeiten, wie die Verharzung von Verunreinigungen mit Formaldehyd, die Behandlung mit Alkalien, die selektive Oxidation sowie die Bildung von Hydraten (Isochinolin bildet keine Hydrate).G. Collin, H. Höke: Quinoline and Isoquinoline. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2005. Des Weiteren kann Chinolin auch durch Azeotroprektifikation mit Ethylenglycol oder Diethylenglycol direkt aus der Methylnaphthalin-Fraktion erhalten und anschließend destillativ gereinigt werden.Europäisches Patent: EP 100109, 1983, Rütgerswerke.Japanisches Patent: JP 86161265, 1986, Sumikin Coke & Chemicals.
Skraup-Synthese Nach Koenigs erster Chinolinsynthese aus dem Jahre 1879 stellt die Skraup-Synthese, welche von Zdenko Hans Skraup im Jahre 1880 erstmals publiziert wurdeZ. H. Skraup: Eine Synthese des Chinolins. In: Chem. Ber., 1880, 13, S. 2086–2087; doi:10.1002/cber.188001302195. den zweiten synthetischen Zugang zu Chinolin dar. Sie geht aus von Anilin, welches in Gegenwart von Glycerin, Schwefelsäure und einem Oxidationsmittel zu Chinolin umgesetzt wird. Glycerin wird hierbei zunächst zu Acrolein dehydratisiert, welches als α,β-ungesättigte Carbonylverbindung zur Cyclisierung benötigt wird. Die direkte Verwendung von Acrolein verringert hingegen die Ausbeute, da es unter den Reaktionsbedingungen zur Polymerisation neigt. Die Skraup-Synthese liefert zunächst Dihydrochinolin, das durch milde Oxidationsmittel wie dreiwertige Eisensalze, Nitrobenzol oder Iod zu Chinolin oxidiert werden kann.D. T. Davies: Basistexte Chemie: Aromatische Heterocyclen. 1. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 1995, ISBN 3-527-29289-6, S. 46–52. Die Skraup-Synthese stellt einen der wenigen direkten Synthesewege zu unsubstituiertem Chinolin dar.J. A. Joules, K. Mills: Heterocyclic Chemistry. 5. Auflage. Blackwell Publishing, Chichester 2010, ISBN 978-1-4051-9365-8, S. 177–199.
mini|zentriert|400px|Bruttoreaktion der Skraup-Synthese; PhNO2 = Nitrobenzol
Doebner-Miller-Reaktion Die Doebner-Miller-Reaktion ist eine Abwandlung der Skraup-Synthese und setzt direkt α,β-ungesättigte Aldehyde ein, wodurch in 2-Position substituierte Chinoline hergestellt werden können.O. Doebner, W. v. Miller: Ueber eine dem Chinolin homologe Base. In: Chem. Ber., 1881, 14, S. 2812–2817; doi:10.1002/cber.188101402258.
Friedländer-Chinolin-Synthese