Нитрилы

Нитри́лы — органические соединения общей формулы R—C≡N, формально являющиеся C-замещенными производными синильной кислоты HC≡N.

Нитрилы

Группа —C≡N называется нитрильной группой.

Номенклатура

Нитрилы также часто рассматривают как производные карбоновых кислот (продукты дегидратации амидов) и именуют как производные соответствующих карбоновых кислот, например, CH₃C≡N — ацетонитрил (нитрил уксусной кислоты), C₆H₅CN — бензонитрил (нитрил бензойной кислоты). В систематической номенклатуре для именования нитрилов используется суффикс карбонитрил, например, пиррол-3-карбонитрил.

Нитрилы, в которых нитрильная группа подвижна либо имеет псевдогалогенный характер, обычно называют цианидами, например, C₆H₅CH₂CN — бензилцианид, C₆H₅COCN — бензоилцианид, (CH₃)₃SiCN — триметилсилилцианид.

Строение нитрильной группы

Атомы азота и углерода в нитрильной группе находятся в состоянии sp-гибридизации. Длина тройной связи C≡N составляет 0,116 нм, длина связи R-CN 0,1468 нм (для CH₃CN). Нитрильная группа обладает отрицательными мезомерным и индукционным эффектами, в частности, константы Гаммета σ_M = 0,56; σ_n = 0,66; σ_n^- = 1,00; σ_n⁺ = 0,659, а индуктивная константа Тафта σ^* = 3,6.

Электронное строение нитрилов можно изобразить в виде двух резонансных структур:

В ИК-спектрах и спектрах комбинационного рассеяния нитрильная группа имеет полосу поглощения в районе 2220—2270 см^-1.

Физические и химические свойства

Нитрилы являются жидкими или твёрдыми веществами. Они растворяются в органических растворителях. Низшие нитрилы хорошо растворяются в воде, но с увеличением их молярной массы растворимость в воде падает.

Нитрилы способны вступать в реакции как с электрофильными реагентами по атому азота, так и с нуклеофильными реагентами по атому углерода, что обусловлено резонансной структурой нитрильной группы. Неподелённая электронная пара на атоме азота способствует образованию комплексов нитрилов с солями металлов, например, с CuCl, NiCl₂, SbCl₅. Наличие нитрильной группы приводит к снижению энергии диссоциации связи C-H у α-углеродного атома. Связь C≡N способна присоединять другие атомы и группы.

Гидролиз нитрилов в кислой среде приводит сначала к амидам, потом — к соответствующим карбоновым кислотам:

${\mathsf {RCN{\xrightarrow[{}]{HX}}[RC^{+}{\text{=}}NH]X^{-}{\xrightarrow[{-HX}]{H_{2}O}}[RC(OH){\text{=}}NH]{\xrightarrow[{}]{}}RCONH_{2}{\xrightarrow[{-NH_{3}}]{H_{2}O}}RCOOH}}$

Гидролиз нитрилов в щелочной среде даёт соли карбоновых кислот.

Реакция нитрилов с пероксидом водорода (реакция Радзишевского) приводит к амидам:

${\mathsf {RCN+HOO^{-}{\xrightarrow[{}]{}}RC(OOH){\text{=}}N^{-}{\xrightarrow[{}]{H_{2}O}}RC(OOH){\text{=}}NH{\xrightarrow[{}]{H_{2}O_{2}}}RCONH_{2}+O_{2}+H_{2}O}}$

Взаимодействие нитрилов со спиртами в присутствии кислотных катализаторов (реакция Пиннера) позволяет получать гидрогалогениды имидоэфиров, которые далее гидролизуются до сложных эфиров. Взаимодействие с тиолами в аналогичной реакции приводит соответственно к солям тиоимидатов и эфирам тиокарбоновых кислот:

${\mathsf {RCN{\xrightarrow[{}]{R'OH,HX}}[RC(OR'){\text{=}}N^{+}H_{2}]X^{-}{\xrightarrow[{-NH_{4}^{+}}]{NH_{3}}}RC(OR'){\text{=}}NH{\xrightarrow[{}]{H_{2}O}}RCOOR'+NH_{3}}}$

При действии на нитрилы сероводорода образуются тиоамиды RC(S)NH₂, при действии аммиака, первичных и вторичных аминов — амидины RC(NHR')=NH, при действии гидроксиламина — амидоксимы RC(NH₂)=NOH, при действии гидразона — амидогидразоны RC(NH₂)=NNH₂.

Реакция нитрилов с реактивами Гриньяра даёт N-магнийзамещённые кетимины, которые в кислой среде гидролизуются до кетонов:

${\mathsf {RCN+R'MgX{\xrightarrow[{}]{}}RC(R'){\text{=}}NMgX{\xrightarrow[{-MgX_{2},-NH_{4}X}]{H_{2}O,HX}}RR'CO}}$

Нитрилы реагируют с ненасыщенными соединениями (реакция Риттера) с образованием замещённых амидов:

${\mathsf {(CH_{3})_{2}C{\text{=}}CH_{2}+CH_{3}CN{\xrightarrow[{}]{H^{+}}}CH_{3}CONHC(CH_{3})_{3}}}$

С диенами вступают в реакцию Дильса-Альдера:

Восстановление нитрилов идёт постадийно до образования первичных аминов. Чаще всего реакцию проводят водородом на платиновом, палладиевом (при 1-3 атм. 20-50 °C) или никелевом, кобальтовом катализаторах (100—250 атм., 100—200 °C) в присутствии аммиака. В лабораторных условиях нитрилы восстанавливают натрием в этаноле, алюмогидридом калия и борогидридом натрия:

${\mathsf {RCN{\xrightarrow[{}]{[H]}}RCH{\text{=}}NH{\xrightarrow[{}]{[H]}}RCH_{2}{\text{-}}NH_{2}}}$

Реакция нитрилов с карбонильными соединениями по Кнёвенагелю ведёт к цианоалкенам:

${\mathsf {RCH_{2}CN+R'R''CO\rightleftarrows R'R''C{\text{=}}C(CN)R}}$

Получение

Нитрилы получают следующими способами:

Дегидратацией амидов, альдоксимов, аммониевых солей карбоновых кислот

Катализатор - оксид фосфора (V)

${\mathsf {CH_{3}COONH_{4}{\xrightarrow[{}]{^{o}t}}CH_{3}CN+2H_{2}O}}$

Алкилированием солей синильной кислоты

${\mathsf {C_{2}H_{5}I+KCN\rightarrow C_{2}H_{5}CN+KI}}$

${\mathsf {C_{6}H_{5}Cl+CuCN\rightarrow C_{6}H_{5}CN+CuCl}}$

По реакции Зандмейера

${\mathsf {[C_{6}H_{5}N^{+}\equiv N]Cl^{-}+KCN\rightarrow C_{6}H_{5}CN+N_{2}+KCl}}$

Присоединением синильной кислоты (используется в промышленности)

${\textstyle {\mathsf {CH_{2}{\text{=}}CH_{2}+HCN\rightarrow CH_{3}CH_{2}CN}}}$

${\mathsf {RCHO+HCN\rightarrow RCH(OH)CN}}$

Совместным окислением аммиака и углеводородов (окислительный аммонолиз)

Реакция протекает при 400—500 °C, катализаторами служат молибдаты и фосфомолибдаты висмута, молибдаты и вольфраматы церия и др.:

${\mathsf {CH_{2}{\text{=}}CHCH_{3}+NH_{3}{\xrightarrow[{-H_{2}O}]{O_{2},^{o}t}}CH_{2}{\text{=}}CHCN}}$

Окислением аминов

${\mathsf {C_{6}H_{5}CH_{2}NH_{2}{\xrightarrow[{-2H_{2}}]{NiO_{2},300-350^{o}t}}C_{6}H_{5}CN}}$

Применение

Нитрилы используются в качестве растворителей, инициаторов радикально-цепной полимеризации, сырья для получения мономеров, лекарственных средств, пестицидов, пластификаторов. Имеют широкое применение в реакции Риттера как нуклеофильный реагент.

Наибольшее значение имеют ацетонитрил (растворитель, адсорбент при выделении бутадиена из смеси с бутенами), акрилонитрил (мономер для получения синтетического волокна), адиподинитрил (сырьё для синтеза адипиновой кислоты, капролактама, гексаметилендиамина), бензонитрил.

Токсичность

Биосинтез дуррина, цианогенного гликозида сорго двуцветного. Окисление p-гидроксибензилцианида, образующегося из тирозина, происходит под действием монооксигеназы CYP71E1

Многие нитрилы - в первую очередь низкомолекулярные алифатические нитрилы, использующиеся в промышленности и цианогенные гликозиды растительного происхождения токсичны. Их действие обусловлено метаболическим окислением α-углеродного атома нитрила, катализируемого монооксигеназами с образованием циангидрина, который, в свою очередь, гидролизуется до альдегида и кетона с высвобождением цианида:

R1R2CHCN + [O] $\to$ R1R2C(OH)CN

R1R2C(OH)CN + H2O $\to$ R1R2CO + HCN

В случае замещенных акрилонитрилов, не имеющих насыщенного α-углеродного атома при нитрильной группе, происходит либо окисление с образованием цианэтиленоксидов (катализ цитохромом P450), гидролизующихся далее в циангидрины, либо конъюгация α,β-ненасыщенного нитрила с SH-группой ацетилцистеина по типу присоединения по Михаэлю с образованием 2-цианометилмеркаптуровой кислоты:

(CH₃CONH)(HOOC)CHCH₂SH + H₂C=CH-CN $\to$ (CH₃CONH)(HOOC)CHCH₂SCH₂CH₂-CN ,

которая, будучи алифатическим нитрилом, окисляется до циангидрина.

Интересно, что и биосинтез циангидринов цианогенных цианидов в растениях, и образование циангидринов при метаболизации нитрилов у животных происходит по одному механизму и катализируется ферментами одного типа.

Непосредственное токсическое действие оказывает уже цианид вследствие нарушения действия цитохромоксидаз и угнетения функции переноса кислорода из крови к клеткам. Токсическое действие проявляется как при вдыхании паров нитрилов, так и при попадании в организм через кожу или желудочно-кишечный тракт.

Токсичность низкомолекулярных алифатических нитрилов увеличивается с увеличением легкости окисления α-углеродного атома с ростом длины углеводородного радикала и степени разветвлённости углеродной цепи. Так, измерения концентрации цианида в крови через час после введения нитрилов показали следующий порядок сравнительной токсичности (в порядке убывания концентрации цианида): малононитрил > пропионитрил > бутиронитрил > акрилонитрил > аллилцианид > ацетонитрил.

Противоядия при отравлении нитрилами те же, что и при отравлении цианидами - амилнитрит, тиосульфат натрия и глюкоза.

Литература

• Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3 (Мед-Пол). — 639 с. — ISBN 5-82270-039-8.
• О. Я. Нейланд. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1990. — 751 с. — 35 000 экз. — ISBN 5-06-001471-1.
• Зильберман Е.Н. Реакции нитрилов. — Москва: Химия, 1972. — 448 с.
• Новый справочник химика и технолога. Радиоактивные вещества. Вредные вещества. Гигиенические нормативы / Редкол.: Москвин А. В. и др.. — СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2004. — 1142 с.

См. также

• Аминонитрилы
• Изонитрилы