stringtranslate.com

Нитрил

Структура нитрила: функциональная группа выделена синим цветом.

В органической химии нитрил — это любое органическое соединение , которое имеет функциональную группу − C ≡ N. Название соединения состоит из основания, которое включает углерод − C≡N , с суффиксом «нитрил», так, например, CH 3 CH 2 C≡N называется « пропионитрил » (или пропаннитрил). [1] Префикс циано- используется взаимозаменяемо с термином нитрил в промышленной литературе. Нитрилы встречаются во многих полезных соединениях, включая метилцианоакрилат , используемый в суперклее , и нитриловый каучук , нитрилсодержащий полимер , используемый в лабораторных и медицинских перчатках без латекса . Нитриловый каучук также широко используется в качестве автомобильных и других уплотнений, поскольку он устойчив к топливу и маслам. Органические соединения, содержащие несколько нитрильных групп, известны как цианоуглероды .

Неорганические соединения, содержащие группу −C≡N , называются не нитрилами, а цианидами . [2] Хотя и нитрилы, и цианиды могут быть получены из солей цианидов, большинство нитрилов не столь токсичны.

Структура и основные свойства

Геометрия N−C−C линейна в нитрилах, что отражает sp-гибридизацию тройной связи углерода. Расстояние C−N короткое и составляет 1,16  Å , что соответствует тройной связи . [3] Нитрилы полярны, на что указывают высокие дипольные моменты. Как жидкости, они имеют высокие относительные диэлектрические проницаемости , часто в 30-х.

История

Первое соединение гомологичного ряда нитрилов, нитрил муравьиной кислоты , цианистый водород был впервые синтезирован К. В. Шееле в 1782 году. [4] [5] В 1811 году Ж. Л. Гей-Люссак смог приготовить очень токсичную и летучую чистую кислоту. [6] Около 1832 года Фридрих Вёлер и Юстус фон Либих приготовили бензонитрил , нитрил бензойной кислоты , но из-за минимального выхода синтеза не были определены ни физические, ни химические свойства, а также предложена структура. В 1834 году Теофиль-Жюль Пелуз синтезировал пропионитрил , предположив, что это эфир пропионового спирта и синильной кислоты. [7] Синтез бензонитрила Германом Фелингом в 1844 году путем нагревания бензоата аммония был первым методом, дающим достаточно вещества для химических исследований. Фелинг определил структуру, сравнив свои результаты с уже известным синтезом цианида водорода путем нагревания формиата аммония . Он придумал название «нитрил» для новооткрытого вещества, которое стало названием для этой группы соединений. [8]

Синтез

В промышленности основными методами получения нитрилов являются аммоксидирование и гидроцианирование . Оба пути являются зелеными в том смысле, что они не производят стехиометрических количеств солей.

Аммоксидация

При аммоксидации углеводород частично окисляется в присутствии аммиака . Это преобразование практикуется в больших масштабах для акрилонитрила : [9 ]

При производстве акрилонитрила побочным продуктом является ацетонитрил . В промышленных масштабах методом аммоксидации получают несколько производных бензонитрила , фталонитрила , а также изобутиронитрила. Процесс катализируется оксидами металлов и, как предполагается, протекает через имин.

Гидроцианирование

Гидроцианирование — это промышленный метод получения нитрилов из цианистого водорода и алкенов. Для этого процесса требуются гомогенные катализаторы . Примером гидроцианирования является производство адипонитрила , предшественника нейлона-6,6 из 1,3-бутадиена :

Из органических галогенидов и цианистых солей

Реакции метатезиса двух солей популярны для лабораторных масштабных реакций. В синтезе нитрила Кольбе алкилгалогениды подвергаются нуклеофильному алифатическому замещению цианидами щелочных металлов . Арильные нитрилы получают в синтезе Розенмунда-фон Брауна .

В общем, цианиды металлов объединяются с алкилгалогенидами, давая смесь нитрила и изонитрила , хотя соответствующий выбор противоиона и температуры может минимизировать последний. Алкилсульфат полностью устраняет проблему, особенно в неводных условиях (синтез Пелуза). [5]

Цианогидрины

Синтез ароматических нитрилов через силилированные циангидрины

Циангидрины — это особый класс нитрилов. Классически они получаются в результате присоединения цианидов щелочных металлов к альдегидам в реакции циангидрина . Из-за полярности органического карбонила эта реакция не требует катализатора, в отличие от гидроцианирования алкенов. O-силилциангидрины образуются путем присоединения триметилсилилцианида в присутствии катализатора (силилцианирование). Циангидрины также получаются с помощью реакций трансциангидрина, начиная, например, с ацетонциангидрина в качестве источника HCN. [10]

Дегидратация амидов

Нитрилы могут быть получены путем дегидратации первичных амидов . Обычные реагенты для этого включают пентоксид фосфора (P2O5 ) [ 11 ] и тионилхлорид ( SOCl2 ). [12] При связанной дегидратации вторичные амиды дают нитрилы путем деградации амида фон Брауна . В этом случае разрывается одна связь CN .

Дегидратация амида

Окисление аминов

Существует множество традиционных методов получения нитрила путем окисления амина . [13] Кроме того, в последние десятилетия было разработано несколько селективных методов для электрохимических процессов. [14]

Из альдегидов и оксимов

Превращение альдегидов в нитрилы через альдоксимы является популярным лабораторным путем. Альдегиды легко реагируют с солями гидроксиламина , иногда при температурах, близких к температуре окружающей среды, с образованием альдоксимов. Их можно дегидратировать до нитрилов простым нагреванием, [15] хотя в этом может помочь широкий спектр реагентов, включая триэтиламин / диоксид серы , цеолиты или сульфурилхлорид . Родственная гидроксиламин-O-сульфоновая кислота реагирует аналогичным образом. [16]

однореакторный синтез из альдегида

В особых случаях можно использовать реакцию Ван Лейзена . Также эффективны биокатализаторы, такие как алифатическая альдоксимдегидратаза .

реакция Зандмейера

Ароматические нитрилы часто готовятся в лаборатории из анилина через соединения диазония . Это реакция Зандмейера . Для нее требуются цианиды переходных металлов. [17]

Другие методы

Реакции

Нитрильные группы в органических соединениях могут подвергаться различным реакциям в зависимости от реагентов или условий. Нитрильная группа может быть гидролизована, восстановлена ​​или выброшена из молекулы в виде цианид-иона.

Гидролиз

Гидролиз нитрилов RCN протекает в отдельных стадиях при кислотной или щелочной обработке, давая сначала карбоксамиды RC(=O)NH 2 , а затем карбоновые кислоты RCOOH. Гидролиз нитрилов до карбоновых кислот является эффективным. В кислотной или щелочной среде сбалансированные уравнения следующие:

Строго говоря, эти реакции опосредуются (а не катализируются ) кислотой или основанием, поскольку один эквивалент кислоты или основания расходуется на образование аммонийной или карбоксилатной соли соответственно.

Кинетические исследования показывают, что константа скорости второго порядка для гидролиза ацетонитрила до ацетамида, катализируемого гидроксид-ионами , составляет 1,6 × 10−6  М −1  с −1 , что медленнее, чем гидролиз амида до карбоксилата (7,4 × 10−5  М −1  с −1 ). Таким образом, путь основного гидролиза даст карбоксилат (или амид, загрязненный карбоксилатом). С другой стороны, реакции, катализируемые кислотой, требуют тщательного контроля температуры и соотношения реагентов, чтобы избежать образования полимеров, чему способствует экзотермический характер гидролиза. [28] Классическая процедура преобразования нитрила в соответствующий первичный амид требует добавления нитрила к холодной концентрированной серной кислоте . [29] Дальнейшее преобразование в карбоновую кислоту затруднено низкой температурой и низкой концентрацией воды.

Два семейства ферментов катализируют гидролиз нитрилов. Нитрилазы гидролизуют нитрилы до карбоновых кислот:

Нитрилгидратазы — это металлоферменты , гидролизующие нитрилы до амидов.

Эти ферменты используются в коммерческих целях для производства акриламида .

«Безводная гидратация» нитрилов в амиды была продемонстрирована с использованием оксима в качестве источника воды: [30]

Снижение

Нитрилы восприимчивы к гидрированию над различными металлическими катализаторами. Реакция может давать либо первичный амин ( RCH 2 NH 2 ), либо третичный амин ( (RCH 2 ) 3 N ), в зависимости от условий. [31] В обычных органических восстановлениях нитрил восстанавливается путем обработки алюмогидридом лития до амина. Восстановление до имина с последующим гидролизом до альдегида происходит в синтезе альдегида Стефана , который использует хлорид олова в кислоте.

Депротонирование

Алкилнитрилы достаточно кислые, чтобы подвергаться депротонированию связи CH, смежной с группой CN. [32] [33] Требуются сильные основания, такие как диизопропиламид лития и бутиллитий . Продукт называется нитрил-анионом . Эти карбанионы алкилируют широкий спектр электрофилов. Ключом к исключительной нуклеофильности является небольшая стерическая потребность в единице CN в сочетании с ее индуктивной стабилизацией. Эти особенности делают нитрилы идеальными для создания новых углерод-углеродных связей в стерически сложных средах.

Нуклеофилы

Углеродный центр нитрила является электрофильным , поэтому он восприимчив к реакциям нуклеофильного присоединения :

Разные методы и соединения

Карбоцианирование Накао 2007

Комплексообразование

Нитрилы являются предшественниками комплексов нитрилов переходных металлов , которые являются реагентами и катализаторами. Примерами являются тетракис(ацетонитрил)медь(I)гексафторфосфат ( [Cu(MeCN) 4 ] + ) и бис(бензонитрил)палладийдихлорид ( PdCl2 (PhCN) 2 ). [40]

Образец нитрильного комплекса PdCl 2 (PhCN) 2

Производные нитрила

Органические цианамиды

Цианамиды представляют собой N -цианосоединения с общей структурой R 1 R 2 N−C≡N и родственные исходному цианамиду . [41]

Оксиды нитрила

Нитрильные оксиды имеют химическую формулу RCNO . Их общая структура - R−C≡N + −O − . R обозначает любую группу (обычно органил , например, ацетонитрил оксид CH 3 −C≡N + −O − , водород в случае фульминовой кислоты H−C≡N + −O − , или галоген (например, фульминат хлора Cl−C≡N + −O − ). [42] : 1187–1192 

Нитрилоксиды сильно отличаются от нитрилов: они являются высокореакционноспособными 1,3-диполями и не могут быть синтезированы прямым окислением нитрилов. [43] Вместо этого их можно синтезировать дегидрированием оксимов или дегидратацией нитроалканов ; [44] : 934–936  Они используются в 1,3-диполярных циклоприсоединениях , [42] : 1187–1192  например, к изоксазолам . [44] : 1201–1202  Они подвергаются диотропной перегруппировке типа 1 в изоцианаты . [42] : 1700 

Возникновение и применение

Нитрилы встречаются в природе в разнообразных растительных и животных источниках. Более 120 природных нитрилов были выделены из наземных и морских источников. Нитрилы обычно встречаются в косточках фруктов, особенно миндаля, и во время приготовления капустных культур (таких как капуста, брюссельская капуста и цветная капуста), которые выделяют нитрилы посредством гидролиза. Манделонитрил , циангидрин, получаемый при употреблении миндаля или некоторых фруктовых косточек, выделяет цианистый водород и отвечает за токсичность цианогенных гликозидов. [45]

В настоящее время на рынке представлено более 30 нитрилсодержащих фармацевтических препаратов для различных медицинских показаний, а более 20 дополнительных нитрилсодержащих препаратов находятся в стадии клинической разработки. Типы фармацевтических препаратов, содержащих нитрилы, разнообразны: от вилдаглиптина , противодиабетического препарата, до анастрозола , который является золотым стандартом в лечении рака молочной железы. Во многих случаях нитрил имитирует функциональность, присутствующую в субстратах для ферментов, тогда как в других случаях нитрил увеличивает растворимость в воде или снижает восприимчивость к окислительному метаболизму в печени. [46] Функциональная группа нитрила встречается в нескольких препаратах.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Золотая книга ИЮПАК нитрилы
  2. ^ NCBI-MeSH Нитрилы
  3. ^ Каракида, Кен-ичи; Фукуяма, Цутому; Кучицу, Кодзо (1974). «Молекулярные структуры цианистого водорода и ацетонитрила, изученные методом газовой электронной дифракции». Бюллетень химического общества Японии . 47 (2): 299–304. doi : 10.1246/bcsj.47.299 .
  4. ^ См.:
    • Карл В. Шееле (1782) «Försök, beträffande det färgande ämnet uti Berlinerblå» (Эксперимент с цветным веществом берлинского синего цвета), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handingar (Труды Шведской королевской академии наук), 3: 264–275 (на шведском языке) .
    • Перепечатано на латыни как: «De materia tingente caerulei berolinensis» в: Карл Вильгельм Шееле с Эрнстом Бенджамином Готлибом Хебенштрайтом (редактор) и Готфридом Генрихом Шефером (пер.), Opuscula Chemica et Physica (Лейпциг («Lipsiae»), (Германия) : Иоганн Годфрид Мюллер, 1789), том. 2, страницы 148–174.
  5. ^ ab Дэвид Т. Моури (1948). «Подготовка нитрилов». Chemical Reviews . 42 (2): 189–283. doi :10.1021/cr60132a001. PMID  18914000.
  6. ^ Гей-Люссак произвел чистый сжиженный цианистый водород в: Гей-Люссак, J (1811). «Note sur l'acide prussique» (Заметка о синильной кислоте)». Анналы де Химье . 44 : 128–133.
  7. ^ Ж. Пелуз (1834). «Notiz über einen neuen Cyanäther» [Заметка о новом циано-эфире]. Аннален дер Аптека . 10 (3): 249. doi :10.1002/jlac.18340100302.
  8. ^ Герман Фелинг (1844). «Ueber die Zersetzung des Benzoësauren Ammoniaks durch die Wärme (О разложении бензоата аммония при нагревании)». Аннален дер Химии и Фармации . 49 (1): 91–97. дои : 10.1002/jlac.18440490106. На странице 96 Фелинг пишет: «Да Лоран ден фон их энтдектен Корпер, который использует нитробензоил, также как и азобензоил, существует, поэтому коннте человек ден аус бензойазавр, аммиак энстехенден Корпер vielleicht Бензонитрил неннен». (Поскольку Лоран назвал открытое им вещество «нитробензоилом» – а «азобензоил» уже существует – то вещество, происходящее из бензоата аммония, можно было бы назвать, пожалуй, «бензонитрилом».)
  9. ^ Поллак, Питер; Ромедер, Жерар; Хагедорн, Фердинанд; Гельбке, Хайнц-Петер (2000). «Нитрилы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a17_363. ISBN 3527306730.
  10. ^ Грегори, Роберт Дж. Х. (1999). «Циангидрины в природе и лаборатории: биология, препараты и синтетические применения». Chemical Reviews . 99 (12): 3649–3682. doi :10.1021/cr9902906. PMID  11849033.
  11. ^ "ИЗОБУТИРОНИТРИЛ". Органические синтезы . 25 : 61. 1945. doi :10.15227/orgsyn.025.0061.
  12. ^ "2-ЭТИЛГЕКСАНОНИТРИЛ". Органические синтезы . 32 : 65. 1952. doi :10.15227/orgsyn.032.0065.
  13. ^ Шюмперли, Мартин Т.; Хаммонд, Сери; Германс, Айв (2021). «Развитие аэробного окисления аминов». ACS Catal . 2 (6): 1108–1117. doi :10.1021/cs300212q.
  14. ^ Сюй, Чжинин; Ковач, Эрвин (2024). «За пределами традиционного синтеза: электрохимические подходы к окислению аминов для нитрилов и иминов». ACS Org Inorg Au . doi : 10.1021/acsorginorgau.4c00025 .
  15. ^ Чилл, Сэмюэл Т.; Мебейн, Роберт К. (18 сентября 2009 г.). «Простая однореакторная конверсия альдегидов в нитрилы». Synthetic Communications . 39 (20): 3601–3606. doi :10.1080/00397910902788174. S2CID  97591561.
  16. ^ C. Fizet; J. Streith (1974). «Гидроксиламин- O -сульфоновая кислота: удобный реагент для окислительного превращения альдегидов в нитрилы». Tetrahedron Lett. (на немецком языке). 15 (36): 3187–3188. doi :10.1016/S0040-4039(01)91857-X.
  17. ^ " o -Толунитриле и p -Толунитриле" HT Clarke и RR Read Org. Synth. 1941, Coll. Vol. 1, 514.
  18. ^ W. Nagata и M. Yoshioka (1988). "Цианид диэтилалюминия". Органические синтезы; Собрание томов , т. 6, стр. 436.
  19. ^ W. Nagata, M. Yoshioka и M. Murakami (1988). «Получение цианосоединений с использованием промежуточных соединений алкилалюминия: 1-циано-6-метокси-3,4-дигидронафталин». Органические синтезы{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link); Собрание томов , т. 6, стр. 307.
  20. ^ Рейнольд К. Фьюсон; Оскар Р. Креймейер и Гилберт Л. Ниммо (1930). «Замыкания колец в ряду циклобутана. II. Циклизация α,α′-дибром-адипиновых эфиров». J. Am. Chem. Soc. 52 (10): 4074–4076. doi :10.1021/ja01373a046.
  21. ^ Дж. Хубен, Вальтер Фишер (1930) «Über eine neue Methode zur Darstellung cyclischer Nitrile durch katalytischen Abbau (I. Mitteil.),» Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (серии A и B) 63 (9): 2464 – 2472. дои : 10.1002/cber.19300630920
  22. ^ Ямазаки, Шигеказу; Ямазаки, Ясуюки (1990). «Никель-катализируемое дегидрирование аминов в нитрилы». Бюллетень химического общества Японии . 63 (1): 301–303. doi : 10.1246/bcsj.63.301 .
  23. ^ Чэнь, Фэн-Эр; Куанг, Юнь-Янь; Хуэй-Фан, Дай; Лу, Лян (2003). «Селективное и мягкое окисление первичных аминов в нитрилы трихлоризоциануровой кислотой». Синтез . 17 (17): 2629–2631. doi :10.1055/s-2003-42431.
  24. ^ Шефер, Х. Дж.; Фельдхьюз, У. (1982). «Окисление первичных алифатических аминов в нитрилы на электроде из гидроксида никеля». Синтез . 1982 (2): 145–146. doi :10.1055/s-1982-29721. S2CID  97172564.
  25. ^ Хигель, Джин; Льюис, Джастин; Бэй, Джейсон (2004). «Превращение α-аминокислот в нитрилы путем окислительного декарбоксилирования с трихлоризоциануровой кислотой». Synthetic Communications . 34 (19): 3449–3453. doi :10.1081/SCC-200030958. S2CID  52208189.
  26. ^ Хэмпсон, Н.; Ли, Дж.; Макдональд, К. (1972). «Окисление аминосоединений анодным серебром». Electrochimica Acta . 17 (5): 921–955. doi :10.1016/0013-4686(72)90014-X.
  27. ^ Дейкин, Генри Драйсдейл (1916). «Окисление аминокислот в цианиды». Biochemical Journal . 10 (2): 319–323. doi :10.1042/bj0100319. PMC 1258710. PMID  16742643 . 
  28. ^ Кукушкин, В. Ю.; Помбейро, А. Дж. Л. (2005). «Металл-опосредованный и металл-катализируемый гидролиз нитрилов». Inorg. Chim. Acta . 358 : 1–21. doi : 10.1016/j.ica.2004.04.029.
  29. ↑ Аббас, Хамис А. (1 января 2008 г.). «Влияние заместителей на гидролиз п-замещенных бензонитрилов в растворах серной кислоты при (25,0 ± 0,1) ° C». Zeitschrift für Naturforschung A. 63 (9): 603–608. Бибкод : 2008ZNatA..63..603A. дои : 10.1515/zna-2008-0912 . ISSN  1865-7109.
  30. ^ Дахье Кан; Джинву Ли; Хи-Юн Ли (2012). «Безводная гидратация нитрилов в амиды: п-карбометоксибензамид». Органические синтезы . 89 : 66. doi : 10.15227/orgsyn.089.0066 .
  31. ^ Barrault, J.; Pouilloux, Y. (1997). «Реакции каталитического аминирования: синтез жирных аминов. Контроль селективности в присутствии многофункциональных катализаторов». Catalysis Today . 1997 (2): 137–153. doi :10.1016/S0920-5861(97)00006-0.
  32. ^ Arseniyadis, Siméon; Kyler, Keith S.; Watt, David S. (1984). «Реакции присоединения и замещения карбанионов, стабилизированных нитрилом». Organic Reactions . pp. 1–364. doi :10.1002/0471264180.or031.01. ISBN 978-0-471-26418-7.
  33. ^ Янг, Сюнь; Флеминг, Фрейзер Ф. (2017). «C- и N-металлированные нитрилы: связь между структурой и селективностью». Accounts of Chemical Research . 50 (10): 2556–2568. doi :10.1021/acs.accounts.7b00329. PMID  28930437.
  34. ^ Смит, Андри Л.; Тан, Паула (2006). «Синтез креатина: лабораторный эксперимент по органической химии для студентов». J. Chem. Educ. 83 (11): 1654. Bibcode : 2006JChEd..83.1654S. doi : 10.1021/ed083p1654.
  35. ^ "Синтез кетиминов Муро-Миньонака". Comprehensive Organic Name Reactions and Reagents . Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc. 15 сентября 2010 г. стр. 1988–1990. doi :10.1002/9780470638859.conrr446. ISBN 9780470638859.
  36. ^ ab Реакция восстановительного децианирования: химические методы и синтетические приложения Жан-Марк Матталия, Каролин Марши-Делапьер, Хассан Хазимех и Мишель Шанон Аркивок (AL-1755FR) стр. 90–118 2006 Статья [ постоянная неработающая ссылка ]
  37. ^ Беркофф, Чарльз Э.; Ривард, Дональд Э.; Киркпатрик, Дэвид; Айвс, Джеффри Л. (1980). «Восстановительное децианирование нитрилов путем щелочного плавления». Synthetic Communications . 10 (12): 939–945. doi :10.1080/00397918008061855.
  38. ^ Франшимон, Антуан Поль Николас (1872). «Ueber die Dibnyldicarbonsäure» [О 2,3-дифенилянтарной кислоте]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft . 5 (2): 1048–1050. дои : 10.1002/cber.187200502138.
  39. ^ Ёсиаки Накао; Акира Яда; Сиро Эбата и Тамедзиро Хияма (2007). «Драматическое влияние катализаторов на основе кислот Льюиса на катализируемое никелем карбоцианирование алкинов». J. Am. Chem. Soc. (Communication). 129 (9): 2428–2429. doi :10.1021/ja067364x. PMID  17295484.
  40. ^ Rach, SF; Kühn, FE (2009). «Нитриллигированные комплексы переходных металлов со слабокоординирующимися противоанионами и их каталитическое применение». Chemical Reviews . 109 (5): 2061–2080. doi :10.1021/cr800270h. PMID  19326858.
  41. ↑ Марч, Джерри (1992), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (4-е изд.), Нью-Йорк: Wiley, стр. 436–437, ISBN 0-471-60180-2
  42. ^ abc Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007). Продвинутая органическая химия Марча (6-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-72091-1.
  43. ^ Грундманн, Ч. (1970). "Оксиды нитрила". В Раппопорте, Цви (ред.). Химия цианогруппы . Химия функциональных групп П. А. Таи. стр. 794. doi :10.1002/9780470771242.ch14. ISBN 978-0-471-70913-8.
  44. ^ ab Clayden, Jonathan ; Greeves, Nick; Warren, Stuart ; Wothers, Peter (2001). Органическая химия (1-е изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850346-0.
  45. ^ Natural Product Reports Issue 5, 1999. Натуральные продукты, содержащие нитрил.
  46. ^ Флеминг, Фрейзер Ф.; Яо, Лихуа; Равикумар, П.К.; Фанк, Ли; Шук, Брайан К. (ноябрь 2010 г.). «Нитрилсодержащие фармацевтические препараты: эффективные роли нитрильного фармакофора». J Med Chem . 53 (22): 7902–17. doi :10.1021/jm100762r. PMC 2988972. PMID  20804202 . 

Внешние ссылки