Нитрил

Структурата на нитрил: функционалната група е означена во сино

Во органската хемија, нитрил е секое органско соединение кое има Предлошка:Хем2 функционална група. Префиксот цијано - се користи наизменично со терминот нитрил во индустриската литература. Нитрилите се наоѓаат во многу корисни соединенија, вклучувајќи метил цијаноакрилат, кој се користи во супер лепак и нитрилна гума, полимер што содржи нитрил кој се користи во лабораториски и медицински ракавици без латекс. Нитрилната гума е исто така широко користена како автомобилски и други заптивки бидејќи е отпорна на горива и масла. Органските соединенија кои содржат повеќе нитрилни групи се познати како цијанојаглероди.

Неоргански соединенија кои содржатПредлошка:Хем2 групата не се нарекуваат нитрили, туку цијаниди. Иако и нитрилите и цијанидите можат да се добијат од соли на цијанид, повеќето нитрили не се ни приближно толку токсични.

Структура и основни својства

Геометријата N−C−C е линеарна во нитрили, што ја одразува sp хибридизацијата на тројно врзаниот јаглерод. Растојанието C−N е кратко на 1,16 Å, во согласност со тројна врска. Нитрилите се поларни, како што укажуваат високите диполни моменти. Како течности, тие имаат висока релативна дозволеност, често во 30-тите.

Историја

Првото соединение од хомолошкиот ред на нитрили, нитрилот на мравја киселина, цијановодород првпат било синтетизирано од CW Scheele во 1782 година Во 1811 година , Џ.Л. Геј-Лисак успеал да ја подготви многу токсичната и испарлива чиста киселина. Околу 1832 година бензонитрилот, нитрилот на бензоевата киселина, бил подготвен од Фридрих Волер и Јустус фон Либиг, но поради минималниот принос на синтезата не биле утврдени ниту физичките ниту хемиските својства, ниту пак била предложена структура. Во 1834 година Теофил-Жулс Пелуз го синтетизирал пропионитрилот, сугерирајќи дека етер на пропионски алкохол и цијановодородна киселина. Синтезата на бензонитрил од Херман Фелинг во 1844 година со загревање на амониум бензоат бил првиот метод што дава доволно супстанција за хемиски истражувања. Фелинг ја утврдил структурата споредувајќи ги неговите резултати со веќе познатата синтеза на цијановодород со загревање на амониум формат. Тој го измислил името „нитрил“ за новооткриената супстанција, што станало име за оваа група соединенија.

Синтеза

Индустриски, главните методи за производство на нитрили се амоксидација и хидроцијанизација. Двата правци се зелени во смисла дека не генерираат стехиометриски количини на соли.

Амоксидација

При амоксидација, јаглеводородот делумно се оксидира во присуство на амонијак. Оваа конверзија се практикува во голем обем за акрилонитрил:

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\frac{3}{2}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

Во производството на акрилонитрил, спореден производ е ацетонитрил. На индустриско ниво, неколку деривати на бензонитрил, фталонитрил, како и изобутиронитрил се подготвуваат со амоксидација. Процесот се катализира од метални оксиди и се претпоставува дека продолжува преку иминот.

Хидроцијанизација

Хидроцијанизацијата е индустриски метод за производство на нитрили од цијановодород и алкени. Процесот бара хомогени катализатори . Пример за хидроцијанизација е производството на адипонитрил, претходник на најлон-6,6 од 1,3-бутадиен:

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}⟶\mathrm{N}\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_4\mathrm{C}\mathrm{N}$

Од органски халиди и цијанидни соли

Две реакции на метатеза на сол се популарни за реакции во лабораториски размери. Во Колбеловата синтеза на нитрилот, алкилхалидите се подложени на нуклеофилна алифатична супституција со цијаниди од алкални метали. Арил нитрилите се подготвуваат во синтезата Розенмунд-фон Браун.

Цијанохидрини

Синтеза на ароматични нитрили преку силилирани цијанохидрини

Цијанохидрините се посебна класа на нитрили. Класично тие произлегуваат од додавање на цијаниди од алкални метали во алдехиди во реакцијата на цијанохидрин. Поради поларитетот на органскиот карбонил, оваа реакција не бара катализатор, за разлика од хидроцијанирањето на алкените. О-силил цијанохидрините се генерираат со додавање триметилсилил цијанид во присуство на катализатор (силилцијанизација). Цијанохидрините исто така се подготвуваат со трансцијанохидрински реакции кои започнуваат, на пример, со ацетон цијанохидрин како извор на HCN.

Дехидрација на амиди

Нитрилите може да се подготват со дехидрација на примарните амиди. Вообичаени реагенси за ова вклучуваат фосфор пентооксид (Предлошка:Хем2) и тионил хлорид (Предлошка:Хем2). Во поврзаната дехидрација, секундарните амиди даваат нитрили со деградација на фон Браун амид. Во овој случај, една CN врска се расцепува.

Од алдехиди и оксими

Конверзијата на алдехиди во нитрили преку алдоксими е популарна лабораториска патека. Алдехидите реагираат лесно со соли на хидроксиламин, понекогаш на температури ниски како околината, за да добијат алдоксими. Тие може да се дехидрираат до нитрили со едноставно загревање, иако широк спектар на реагенси може да помогнат во тоа, вклучувајќи триетиламин / сулфур диоксид, зеолити или сулфурил хлорид. Поврзаната хидроксиламин-О-сулфонска киселина реагира слично.

Во специјализирани случаи може да се користи реакцијата Ван Леузен. Биокатализаторите како што е алифатичната алдоксим дехидратаза се исто така ефикасни.

Реакција на Сендмаер

Ароматичните нитрили често се подготвуваат во лабораторија од анилин преку соединенија на дијазониум. Ова е реакцијата на Сендмаер. Потребни се цијаниди од преодни метали.

$\mathrm{A}\mathrm{r}\mathrm{N}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{C}\mathrm{N}⟶\mathrm{A}\mathrm{r}\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{A}}^{+}$

Други методи

• Комерцијален извор за групата цијаниди е диетиалуминиум цијанид Предлошка:Хем2 кој може да се подготви од триетилалуминиум и HCN. Се користи во нуклеофилно додавање на кетоните.
• цијанидните јони го олеснуваат спојувањето на дибромидите. Реакцијата на α,α'-дибромо адипичната киселина со натриум цијанид во етанол дава цијано циклобутан:

Во таканаречената реакција на Франхимонт (која била развиена од белгискиот докторант Антоан Пол Николас Франхимонт (1844-1919) во 1872 година) а-бромокарбоксилна киселина е димеризирана по хидролиза на цијаногрупата и декарбоксилација

• Ароматични нитрили може да се подготват од базна хидролиза на трихлорометил арил кетимини (Предлошка:Хем2) во синтезата на Хоубен-Фишер
• Нитрилите може да се добијат од примарните амини преку оксидација. Вообичаените методи вклучуваат употреба на калиум персулфат, трихлороизоцијанурична киселина, или анодна електросинтеза.
• α - аминокиселините формираат нитрили и јаглерод диоксид преку различни средства за оксидативна декарбоксилација. Хенри Драјсдејл Дакин ја открил оваа оксидација во 1916 година
• Од арил карбоксилни киселини

Реакции

Нитрилните групи во органските соединенија можат да подлежат на различни реакции во зависност од реактантите или условите. Нитрилната група може да се хидролизира, редуцира или исфрли од молекулата како цијаниден јон.

Хидролиза

Хидролизата на нитрилите RCN продолжува во различни чекори под киселински или базен третман за прво да се добијат карбоксамидиПредлошка:Хем2 а потоа карбоксилни киселини RCOOH. Хидролизата на нитрилите до карбоксилни киселини е ефикасна. Во киселина или база, избалансираните равенки се како што следува:

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{N}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{C}\mathrm{l}$

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{a}+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$

Забележливо е дека овие реакции се посредувани (за разлика од катализираните) со киселина или база, бидејќи еден еквивалент на киселината или базата се троши за да се формира амониумската или карбоксилатната сол, соодветно.

Кинетичките студии покажуваат дека константата на брзина од втор ред за хидролиза на ацетонитрил во ацетамид катализирана со хидроксид-јон е 1,6 Предлошка:E  M ⁻¹ s ⁻¹, што е побавно од хидролизата на амидот до карбоксилат (7,4 Предлошка:E  M ⁻¹ s ⁻¹). Така, базниот пат на хидролиза ќе овозможи карбоксилат (или амид контаминиран со карбоксилат). Од друга страна, киселинските катализирани реакции бараат внимателна контрола на температурата и односот на реагенсите со цел да се избегне формирање на полимери, што е поттикнато од егзотермичкиот карактер на хидролизата. Класичната постапка за претворање на нитрил во соодветниот примарен амид бара додавање на нитрилот во ладна концентрирана сулфурна киселина. Понатамошната конверзија во карбоксилна киселина е неповолна од ниската температура и ниската концентрација на вода.

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}(\mathrm{O})\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$

Две фамилии на ензими ја катализираат хидролизата на нитрилите. Нитрилазите ги хидролизираат нитрилите во карбоксилни киселини:

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{N}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$

Нитрилните хидратази се металоензими кои ги хидролизираат нитрилите во амиди.

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}(\mathrm{O})\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$

Овие ензими се користат комерцијално за производство на акриламид.

„Безводната хидратација“ на нитрилите во амиди е докажана со користење на оксим како извор на вода:

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{R}{\phantom{A}}^{\prime }\mathrm{C}(\mathrm{H})=\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}(\mathrm{O})\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{R}{\phantom{A}}^{\prime }\mathrm{C}\mathrm{N}$

Намалување

Нитрилите се подложни на хидрогенизација преку различни метални катализатори. Реакцијата може да си дозволи или примарен амин (Предлошка:Хем2) или терциерниот амин (Предлошка:Хем2), во зависност од условите. Во конвенционалните органски редукции, нитрилот се редуцира со третман со литиум алуминиум хидрид до амин. Намалувањето на иминот проследено со хидролиза до алдехид се одвива во синтезата на Стивен алдехид, која користи олово хлорид во киселина.

Депротонација

Алкилните нитрили се доволно кисели за да се подложат на депротонација на CH врската во непосредна близина на групата CN. Потребни се силни бази, како што се литиум диизопропиламид и бутил литиум. Производот се нарекува нитрилен анјон. Овие карбаниони алкилираат широк спектар на електрофили. Клучно за исклучителната нуклеофилност е малата стерична побарувачка на единицата CN во комбинација со нејзината индуктивна стабилизација. Овие одлики ги прават нитрилите идеални за создавање на нови врски јаглерод-јаглерод во средини со стерично тешки барања.

Нуклеофили

Јаглеродниот центар на нитрилот е електрофилен, па затоа е подложен на нуклеофилни реакции на додавање:

• со органоцинковно соединение во реакцијата на Блез
• со алкохоли во реакцијата на Пинер.
• со амини, на пр. реакцијата на амин саркозин со цијанамид дава креатин
• Нитрилите реагираат во Фридел-Крафтс ацилација во реакцијата на Хоубен-Хоес на кетони

Разни методи и соединенија

• При редуктивна децијанација нитрилната група се заменува со протон. Децијанирањето може да се постигне со растворање на редукција на метал (на пр HMPA и калиум метал во <i id="mwAWA">терц</i> -бутанол) или со соединување на нитрил во KOH. Слично на тоа, α-аминонитрилите може да се децијанираат со други редукциони агенси како што е литиум алуминиум хидрид.
• Нитрилите сами реагираат во присуство на база во Торповата реакција во нуклеофилен додаток
• Во органометалната хемија, познато е дека нитрилите додаваат на алкините при карбоцијанизација:

Комплексирање

Нитрилите се прекурсори на нитрилните комплекси на преодни метали, кои се реагенси и катализатори. Примерите вклучуваат тетракис (ацетонитрил) бакар (I) хексафлуорофосфат (Предлошка:Хем2 ) и бис (бензонитрил) паладиум дихлорид (Предлошка:Хем2 ).

Примерок од нитрилниот комплекс Предлошка:Хем2

Деривати на нитрил

Органски цијанамиди

Цијанамидите се N -цијано соединенија со општа структура Предлошка:Хем2 и поврзан со неорганскиот родител цијанамид.

Нитрилни оксиди

Нитрилните оксиди имаат општа структура Предлошка:Хем2 или Предлошка:Хем2 и се користат во 1,3-диполарни циклододатоци. Предлошка:RpТие се подложени на тип 1 диотропно преуредување во изоцијанати. Предлошка:RpНитрилните оксиди може да се синтетизираат со дехидрогенизација на оксимите или со дехидрација на нитроалканите. Предлошка:RpТие можат да се користат за синтеза на изоксазоли.

Појава

Нитрилите природно се појавуваат во разновидни растителни и животински извори. Над 120 природни нитрили се изолирани од копнени и морски извори. Нитрилите најчесто се среќаваат во овошните јами, особено бадемите, и за време на готвењето на културите Brassica (како зелка, бриселско зелје и карфиол), кои ослободуваат нитрили преку хидролиза. Манделонитрил, цијанохидрин произведен со внесување на бадеми или некои овошни јами, ослободува цијановодород и е одговорен за токсичноста на цијаногените гликозиди.

Над 30 фармацевтски препарати кои содржат нитрил моментално се продаваат за разновидни медицински индикации со повеќе од 20 дополнителни одводи кои содржат нитрил во клиничкиот развој. Видовите на фармацевтски препарати кои содржат нитрили се различни, од вилдаглиптин, антидијабетик, до анастрозол, кој е златен стандард во лекувањето на ракот на дојката. Во многу случаи нитрилот ја имитира функционалноста присутна во супстратите за ензимите, додека во други случаи нитрилот ја зголемува растворливоста во вода или ја намалува подложноста на оксидативниот метаболизам во црниот дроб. Нитрилната функционална група се наоѓа во неколку лекови.

• 
  Структура на перициазин, антипсихотик проучуван во третманот на зависност од опијати
• 
  Структура на циталопрам, антидепресивен лек од класата на селективни инхибитори за повторно земање на серотонин (SSRI).
• 
  Структура на цијамемазин, антипсихотичен лек.
• 
  Структура на фадрозол, инхибитор на ароматаза за третман на рак на дојка.
• 
  Структура на летрозол, орален нестероиден инхибитор на ароматаза за третман на одредени видови на рак на дојка.