stringtranslate.com

Нитрил

Строение нитрила: функциональная группа выделена синим цветом.

В органической химии нитрил — это любое органическое соединение , имеющее функциональную группу — C ≡ N. Название соединения состоит из основания, которое включает углерод −C≡N с суффиксом «нитрил», поэтому, например, CH 3 CH 2 C≡N называется « пропионитрил » (или пропаннитрил). [1] Префикс циано – используется как синоним термина «нитрил» в промышленной литературе. Нитрилы содержатся во многих полезных соединениях, включая метилцианоакрилат , используемый в суперклее , и нитриловый каучук , нитрилсодержащий полимер, используемый в лабораторных и медицинских перчатках, не содержащих латекса . Нитриловый каучук также широко используется в качестве автомобильных и других уплотнений, поскольку он устойчив к воздействию топлива и масел. 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 так токсичны.

Структура и основные свойства

Геометрия N-C-C в нитрилах линейна, что отражает sp-гибридизацию тройного связанного углерода. Расстояние C-N короткое и составляет 1,16  Å , что соответствует тройной связи . [3] Нитрилы полярны, на что указывают высокие дипольные моменты. Будучи жидкостями, они имеют высокую относительную диэлектрическую проницаемость , часто около 30 градусов.

История

Первое соединение гомологического ряда нитрилов, нитрил муравьиной кислоты , цианистый водород было впервые синтезировано К. В. Шееле в 1782 году. [4] [5] В 1811 году Ж. Л. Гей-Люссаку удалось получить очень токсичную и летучую чистую кислоту. . [6] Около 1832 года бензонитрил , нитрил бензойной кислоты , был получен Фридрихом Вёлером и Юстусом фон Либихом , но из-за минимального выхода синтеза не были определены ни физические, ни химические свойства и не предложена структура. В 1834 году Теофиль-Жюль Пелуз синтезировал пропионитрил , предположив, что это простой эфир пропионового спирта и синильной кислоты. [7] Синтез бензоитрила Германом Фелингом в 1844 году путем нагревания бензоата аммония был первым методом, давшим достаточное количество вещества для химических исследований. Фелинг определил структуру, сравнив свои результаты с уже известным синтезом цианистого водорода нагреванием формиата аммония . Он придумал для новооткрытого вещества название «нитрил», которое и стало названием этой группы соединений. [8]

Синтез

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

Аммоксидирование

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

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

Гидроцианирование

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

Из органических галогенидов и солей цианидов

Две реакции метатезиса солей популярны для реакций лабораторного масштаба. В синтезе нитрила Кольбе алкилгалогениды подвергаются нуклеофильному алифатическому замещению цианидами щелочных металлов . Арилнитрилы получают синтезом Розенмунда-фон Брауна .

Цианогидрины

Синтез ароматических нитрилов через силилированные циангидрины.

Цианогидрины представляют собой особый класс нитрилов. Классически они возникают 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. О-силилциангидрины образуются путем присоединения триметилсилилцианида в присутствии катализатора (силилцианирование). Цианогидрины получают также трансциангидриновыми реакциями, начиная, например, с ацетонциангидрина в качестве источника HCN. [10]

Дегидратация амидов

Нитрилы могут быть получены дегидратацией первичных амидов . Обычные реагенты для этого включают пятиокись фосфора ( P 2 O 5 ) [11] и тионилхлорид ( SOCl 2 ). [12] При аналогичной дегидратации вторичные амиды образуют нитрилы в результате разложения амида фон Брауна . В этом случае разрывается одна связь CN.

Дегидратация амида

Из альдегидов и оксимов

Превращение альдегидов в нитрилы с помощью альдоксимов — популярный лабораторный путь. Альдегиды легко реагируют с солями гидроксиламина , иногда при температуре окружающей среды, с образованием альдоксимов. Их можно дегидратировать до нитрилов простым нагреванием [13] , хотя в этом может помочь широкий спектр реагентов, включая триэтиламин / диоксид серы , цеолиты или сульфурилхлорид . Родственная гидроксиламин-О-сульфоновая кислота реагирует аналогично. [14]

однореакторный синтез из альдегида

В особых случаях можно использовать реакцию Ван Лейзена . Биокатализаторы, такие как алифатическая альдоксимдегидратаза, также эффективны.

Реакция Зандмейера

Ароматические нитрилы часто получают в лаборатории из анилина через соединения диазония . Это реакция Зандмейера . Для этого требуются цианиды переходных металлов. [15]

Другие методы

Реакции

Нитрильные группы в органических соединениях могут вступать в различные реакции 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 отдельные стадии при кислотной или основной обработке с образованием сначала карбоксамидов RC (=O)NH 2 , а затем карбоновых кислот RCOOH. Гидролиз нитрилов до карбоновых кислот эффективен. В кислоте или щелочи сбалансированные уравнения выглядят следующим образом:

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

Кинетические исследования показывают, что константа скорости второго порядка гидролиза ацетонитрила до ацетамида , катализируемого гидроксид-ионами, составляет 1,6 × 10.−6  M −1  с −1 , что медленнее, чем гидролиз амида до карбоксилата (7,4 × 10−5  M −1  с −1 ). Таким образом, основной путь гидролиза дает карбоксилат (или амид, загрязненный карбоксилатом). С другой стороны, реакции, катализируемые кислотами, требуют тщательного контроля температуры и соотношения реагентов во избежание образования полимеров, чему способствует экзотермический характер гидролиза. [26] Классическая процедура преобразования нитрила в соответствующий первичный амид требует добавления нитрила к холодной концентрированной серной кислоте . [27] Дальнейшему превращению в карбоновую кислоту препятствуют низкая температура и низкая концентрация 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: [28]

Снижение

Нитрилы подвержены гидрированию на различных металлических катализаторах. Реакция может дать либо первичный амин ( RCH 2 NH 2 ), либо третичный амин ( (RCH 2 ) 3 N ), в зависимости от условий. [29] При обычном органическом восстановлении нитрил восстанавливают обработкой литийалюминийгидридом до амина. Восстановление до имина с последующим гидролизом до альдегида происходит при синтезе альдегида Стивена , в котором используется хлорид олова в кислоте.

Депротонирование

Алкилнитрилы достаточно кислые, чтобы подвергаться депротонированию связи CH, прилегающей к группе CN. [30] [31] 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 блока CN в сочетании с его индуктивной стабилизацией. Эти свойства делают нитрилы идеальными для создания новых углерод-углеродных связей в стерически сложных средах.

Нуклеофилы

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

Различные методы и соединения

Карбоцианирование Накао 2007

Комплексообразование

Нитрилы являются предшественниками нитрильных комплексов переходных металлов , которые являются реагентами и катализаторами. Примеры включают гексафторфосфат тетракис(ацетонитрил)меди(I) ( [Cu(MeCN) 4 ] + ) и дихлорид бис(бензонитрил)палладия ( PdCl 2 (PhCN) 2 ). [37]

Образец нитрильного комплекса PdCl 2 (PhCN) 2

Производные нитрила

Органические цианамиды

Цианамиды представляют собой N -цианосоединения общей структуры R 1 R 2 N-C≡N , родственные исходному цианамиду . [38]

Оксиды нитрила

Оксиды нитрила имеют общую структуру R -CNO или R-CN + O- и используются в 1,3-диполярных циклоприсоединениях . [39] : 1187–1192  Они подвергаются диотропной перегруппировке 1 типа с образованием изоцианатов . [39] : 1700  Оксиды нитрила могут быть синтезированы дегидрированием оксимов или дегидратацией нитроалканов . [40] : 934–936  Их можно использовать для синтеза изоксазолов . [40] : 1201–1202 гг. 

выровнять = 'центр'

Возникновение и применение

Нитрилы встречаются в природе в разнообразных растительных и животных источниках. Из наземных и морских источников было выделено более 120 встречающихся в природе нитрилов. Нитрилы обычно встречаются в косточках фруктов, особенно миндаля, а также во время приготовления капустных культур (таких как капуста, брюссельская и цветная капуста), которые выделяют нитрилы в результате гидролиза. Манделонитрил , циангидрин , получаемый при употреблении в пищу миндаля или некоторых фруктовых косточек, выделяет цианистый водород и отвечает за токсичность цианогенных гликозидов. [41]

В настоящее время на рынке представлено более 30 нитрилсодержащих фармацевтических препаратов для различных медицинских показаний, и более 20 дополнительных нитрилсодержащих препаратов находятся в стадии клинической разработки. Виды фармацевтических препаратов, содержащих нитрилы, разнообразны: от вилдаглиптина , противодиабетического препарата, до анастрозола , который является золотым стандартом лечения рака молочной железы. Во многих случаях нитрил имитирует функциональность субстратов ферментов, тогда как в других случаях нитрил увеличивает растворимость в воде или снижает восприимчивость к окислительному метаболизму в печени. [42] Нитрильная функциональная группа встречается в нескольких лекарствах.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нитрилы Золотой книги ИЮПАК
  2. ^ NCBI-MeSH Нитрилы
  3. ^ Каракида, Кен-ичи; Фукуяма, Цутому; Кучицу, Кодзо (1974). «Молекулярная структура цианида водорода и ацетонитрила, изученная методом газовой электронографии». Бюллетень Химического общества Японии . 47 (2): 299–304. дои : 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 (перевод), Opuscula Chemica et Physica (Лейпциг («Lipsiae»), (Германия) : Иоганн Годфрид Мюллер, 1789), том. 2, страницы 148–174.
  5. ^ Дэвид Т. Моури (1948). «Получение нитрилов» (PDF) . Химические обзоры . 42 (2): 189–283. дои : 10.1021/cr60132a001. ПМИД  18914000.[ мертвая ссылка ]
  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 им энтдектен Корпер, который использует нитробензоил, также как и азобензоил существует, так что он может быть ден аус бензойзаурем, 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). Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a17_363. ISBN 978-3527306732.
  10. ^ Грегори, Роберт Дж. Х. (1999). «Цианогидрины в природе и лаборатории: биология, препараты и синтетические применения». Химические обзоры . 99 (12): 3649–3682. дои : 10.1021/cr9902906. ПМИД  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. ^ Чилл, Сэмюэл Т.; Мебане, Роберт К. (18 сентября 2009 г.). «Простое преобразование альдегидов в нитрилы в одной емкости». Синтетические коммуникации . 39 (20): 3601–3606. дои : 10.1080/00397910902788174. S2CID  97591561.
  14. ^ К. Физе; Дж. Стрейт (1974). «Гидроксиламин -О -сульфоновая кислота: удобный реагент для окислительного превращения альдегидов в нитрилы». Тетраэдр Летт. (на немецком). 15 (36): 3187–3188. doi : 10.1016/S0040-4039(01)91857-X.
  15. ^ « о -толунитрил и п -толунитрил» HT Clarke и RR Read Org. Синтез. 1941, Сб. Том. 1, 514.
  16. ^ В. Нагата и М. Ёсиока (1988). «Цианид диэтилалюминия». Органические синтезы .; Коллективный том , том. 6, с. 436
  17. ^ В. Нагата, М. Ёсиока и М. Мураками (1988). «Получение цианосоединений с использованием промежуточных алкилалюминиевых соединений: 1-циано-6-метокси-3,4-дигидронафталин». Органические синтезы .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ); Коллективный том , том. 6, с. 307
  18. ^ Рейнольд К. Фьюсон; Оскар Р. Краймайер и Гилберт Л. Ниммо (1930). «Замыкание колец в циклобутановом ряду. II. Циклизация α,α'-дибромадипиновых эфиров». Варенье. хим. Соц. 52 (10): 4074–4076. дои : 10.1021/ja01373a046.
  19. ^ 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
  20. ^ Ямазаки, Сигэказу; Ямадзаки, Ясуюки (1990). «Никель-катализируемое дегидрирование аминов до нитрилов». Бюллетень Химического общества Японии . 63 (1): 301–303. дои : 10.1246/bcsj.63.301 .
  21. ^ Чен, Фен-Эр; Куанг, Юн-Янь; Хуэй-Фан, Дай; Лу, Лян (2003). «Селективное и мягкое окисление первичных аминов до нитрилов трихлоризоциануровой кислотой». Синтез . 17 (17): 2629–2631. дои : 10.1055/с-2003-42431.
  22. ^ Шефер, HJ; Фельдхьюс, У. (1982). «Окисление первичных алифатических аминов до нитрилов на гидроксидно-никелевом электроде». Синтез . 1982 (2): 145–146. дои : 10.1055/с-1982-29721. S2CID  97172564.
  23. ^ Хигель, Джин; Льюис, Джастин; Бэ, Джейсон (2004). «Превращение α-аминокислот в нитрилы путем окислительного декарбоксилирования трихлоризоциануровой кислотой». Синтетические коммуникации . 34 (19): 3449–3453. doi : 10.1081/SCC-200030958. S2CID  52208189.
  24. ^ Хэмпсон, Н.; Ли, Дж; Макдональд, К. (1972). «Окисление аминосоединений анодным серебром». Электрохимика Акта . 17 (5): 921–955. дои : 10.1016/0013-4686(72)90014-X.
  25. ^ Дакин, Генри Дрисдейл (1916). «Окисление аминокислот до цианидов». Биохимический журнал . 10 (2): 319–323. дои : 10.1042/bj0100319. ПМЦ 1258710 . ПМИД  16742643. 
  26. ^ Кукушкин, В. Ю.; Помбейро, AJL (2005). «Металло-опосредованный и металл-катализируемый гидролиз нитрилов». Неорг. Хим. Акта . 358 : 1–21. дои : 10.1016/j.ica.2004.04.029.
  27. ^ 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.
  28. ^ Дахе Кан; Джин Ву Ли; Хи-Юн Ли (2012). «Безводная гидратация нитрилов в амиды: п-карбометоксибензамид». Органические синтезы . 89:66 . дои : 10.15227/orgsyn.089.0066 .
  29. ^ Барро, Дж.; Пуйу, Ю. (1997). «Реакции каталитического аминирования: синтез жирных аминов. Контроль селективности в присутствии многофункциональных катализаторов». Катализ сегодня . 1997 (2): 137–153. дои : 10.1016/S0920-5861(97)00006-0.
  30. ^ Арсениядис, Симеон; Кайлер, Кейт С.; Ватт, Дэвид С. (1984). «Реакции присоединения и замещения нитрил-стабилизированных карбанионов». Органические реакции . стр. 1–364. дои : 10.1002/0471264180.или 031.01. ISBN 978-0-471-26418-7.
  31. ^ Ян, Сюнь; Флеминг, Фрейзер Ф. (2017). «C- и N-металлированные нитрилы: взаимосвязь между структурой и селективностью». Отчеты о химических исследованиях . 50 (10): 2556–2568. doi : 10.1021/acs.accounts.7b00329. ПМИД  28930437.
  32. ^ Смит, Андри Л.; Тан, Паула (2006). «Синтез креатина: лабораторный эксперимент по органической химии для студентов». Дж. Хим. Образование. 83 (11): 1654. Бибкод : 2006JChEd..83.1654S. дои : 10.1021/ed083p1654.
  33. ^ ab Реакция восстановительного децианирования: химические методы и синтетические применения Жан-Марк Матталиа, Кэролайн Марчи-Делапьер, Хасан Хазиме и Мишель Шанон Аркивок (AL-1755FR), стр. 90–118, 2006 г. Статья [ постоянная мертвая ссылка ]
  34. ^ Беркофф, Чарльз Э.; Ривард, Дональд Э.; Киркпатрик, Дэвид; Айвз, Джеффри Л. (1980). «Восстановительное децианирование нитрилов щелочным плавлением». Синтетические коммуникации . 10 (12): 939–945. дои : 10.1080/00397918008061855.
  35. ^ 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.
  36. ^ Ёсиаки Накао; Акира Яда; Широ Эбата и Тамеджиро Хияма (2007). «Драматическое влияние катализаторов на основе кислот Льюиса на никель-катализируемое карбоцианирование алкинов». Варенье. хим. Соц. (Коммуникация). 129 (9): 2428–2429. дои : 10.1021/ja067364x. ПМИД  17295484.
  37. ^ Рэйч, Сан-Франциско; Кюн, Ф.Е. (2009). «Нитрил-лигированные комплексы переходных металлов со слабокоординирующими противоанионами и их каталитические применения». Химические обзоры . 109 (5): 2061–2080. дои : 10.1021/cr800270h. ПМИД  19326858.
  38. ^ Марч, Джерри (1992), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (4-е изд.), Нью-Йорк: Wiley, стр. 436–7, ISBN 0-471-60180-2
  39. ^ Аб Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007). Продвинутая органическая химия марта (6-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-72091-1.
  40. ^ аб Клейден, Джонатан ; Гривз, Ник; Уоррен, Стюарт ; Уотерс, Питер (2001). Органическая химия (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850346-0.
  41. ^ Отчеты о натуральных продуктах, выпуск 5, 1999 г. Нитрилсодержащие натуральные продукты.
  42. ^ Флеминг, Фрейзер Ф.; Яо, Лихуа; Равикумар, ПК; Фанк, Ли; Шук, Брайан С. (ноябрь 2010 г.). «Нитрилсодержащие фармацевтические препараты: эффективная роль нитрилового фармакофора». J Med Chem . 53 (22): 7902–17. дои : 10.1021/jm100762r. ПМЦ 2988972 . ПМИД  20804202. 

Внешние ссылки