Циангидрины

Циангидрины (α-гидроксинитрилы, нитрилы α-оксикислот) — соединения, содержащие нитрильную и гидроксильную группы при одном углеродном атоме, формально — продукты присоединения синильной кислоты к альдегидам и кетонам[1].

Циангидрины

В систематической номенклатуре циангидрины именуются как гидроксинитрилы, однако используются и тривиальные названия, образованные добавлением суффикса -циангидрин к названию карбонильного соединения-предшественника, например, (CH3)2C(OH)CN — ацетонциангидрин (2-гидрокси-2-метилпропаннитрил).

Свойства и реакционная способность править

Реакционная способность циангидринов обусловлена наличием спиртовой и нитрильной групп с некоторыми особенносями реакционной способности гидроксила, обусловленной электронакцепторным влиянием нитрильной группы.

Так, циангидрины, как и спирты, ацилируются хлорангидридами карбоновых кислот, этерифицируются азотной кислотой с образованием нитроэфиров[2], присоединяются к виниловым эфирам с образованием ацеталей[3], реагируют с пентахлоридом фосфора с замешением гидроксила на галоген, образуя α-хлорнитрилы.

Однако при взаимодействии с аммиаком и гидразином, в отличие от алифатических спиртов, происходит замещение гидроксила на амино- или гидразиновую группу, при этом образуются α-амино или α-гидразинонитрилы.

Под действием водоотнимающих агентов (Р2О5, SOCl2) или катализаторов при нагревании алифатические циангидрины отщепляют воду, образуя 1,2-ненасыщенные нитрилы, так, из циангидрина ацетальдегида (нитрила молочной кислоты) образуется акрилонитрил:

 

Как и нитрилы, циангидрины гидролизуются до амидов и далее до α-гидроксикарбоновых кислот, в жестких условиях в случае алифатических циангидринов гидролиз может сопровождаться отщеплением гидроксила, что ведет к образованию 1,2-ненасыщенных амидов или карбоновызх кислот. Так, ацетонциангидрин при нагревании 98% серной кислоте образует метакриламид[4]:

(CH3)2C(OH)CN + H2O → CH2=C(CH3)CONH2

Синтез править

Действие цианидов на карбонильные соединения править

Основным методом синтеза как в лабораторной практике, так и в промышленности является присоединение цианистого водорода к карбонильным соединениям:

RR1CO + HCN   RR1C(OH)CN

В эту реакцию вступают алифатические, большинство ароматических и многие гетероциклические альдегиды, алифатические и алициклические кетоны. Ароматические кетоны в реакцию не вступают. Образованию циангидринов препятствуют стерические затруднения, в случае ароматических и гетероциклических альдегидов, в которых ароматический заместитель стабилизирует образование циангидрин-карбаниона; побочным процессом является бензоиновая конденсация карбаниона со второй молекулой альдегида:

 

Реакция может проводиться в щелочной водной или водно-спиртовой среде с цианидами щелочных металлов в присутствии КОН или Na2CO3 при температурах 0-50 °C (модификация Ульте) либо с использованием цианистого водорода в момент выделения при добавлении уксусной кислоты в водный раствор цианида щелочного металла и карбонильного соединения при 20-30 °C (модификация Уреха).

Циангидрины могут быть также получены действием цианидов на бисульфитные производные альдегидов и кетонов:

 

В качестве «безцианидного» метода синтеза циангидринов альдегидов используется обменная реакция с циангидридами кетонов (обычно с легкодоступным ацетонциангидрином):

RCHO + (CH3)2C(OH)CN   RC(OH)CN + (CH3)2CO

Для синтеза циангидринов ароматических кетонов, не образующихся в классических условиях реакции, в качестве синтетического эквивалента цианид-иона или синильной кислоты используется триметилсилилцианид, что позволяет синтезировать циангидрины бензофенонов. Реакция идет через образование триметилсилильных производных циангидринов, которые затем в кислотных условиях гидролизуются до циангидринов[5].

Использование триметилсилилцианида также позволяет синтезировать триметилсилилциангидрин p-бензохинона[6].

Другие методы синтеза править

Циангидрины могут быть синтезированы и функционализацией соответствующих α-гидроксисоединений.

Так, оксимы α-гидроксиальдегидов под действием кислотных и ацилирующих агентов (уксусный ангидрид и т. п.) образуют циангидрины:

RR’C(OH)-CH=NOH + Ac2O   RR’C(OH)-CH=NOAc + AcOH
RR’C(OH)-CH=NOAc   RR’C(OH)CN + AcOH

Применение править

Промышленное применение править

Ацетонциангидрин является крупнотоннажным продуктом органического синтеза и используется как сырье в производстве производных метакриловой кислоты — метилметакрилата:

(CH3)2C(OH)CN + H2SO4 → CH2=C(CH3)CONH2·H2SO4
CH2=C(CH3)CONH2·H2SO4 + CH3OH → CH2=C(CH3)COOCH3 + NH4HSO4

метакрилонитрила:

(CH3)2C(OH)CN → CH2=C(CH3)CN + H2O

и других соединений, применяемых в качестве мономеров для получения полимеров — полиакрилатов.

Использование в органическом синтезе править

Взаимодействие циангидридов альдегидов с альдегидами в присутствии хлороводорода в безводных условиях приводит к образованию оксазолов, эта реакция идет через присоединение хлороводорода к нитрильной группе циангидрина с образованием имидоилхлорида используется как препаративный метод синтеза (синтез оксазолов по Фишеру)[7]:

 

Образование циангидринов из альдоз является первой стадии их гомологизации по Килиани-Фишеру:

 

Синтез циангидринов — нитрилов альдоновых кислот — из оксимов альдоз с дальнейшим отщеплением от них цианистого водорода используется в химии углеводов как метод укорочения углеродной цепи альдоз на одно звено (реакция Воля):

:  

Циангидрины также используются в модифицированном синтезе α-аминокислот по Штреккеру в модификации Тимана. В этом методе циангидрины вводятся в реакцию с аммиаком с образованием α-аминонитрилов, которые далее гидролизуются до α-аминокислот:

 

Триметилсилилциангидрины, в отличие от циангидринов, могут быть депротонированы действием диизопропиламида лития до соответствующих карбанионов:

RCH(CN)OSi(CH3)3 → RC-(CN)OSi(CH3)3,

которые могут быть введены в реакцию с альдегидами или кетонами, образуя после дальнейшего гидролиза ацилоины:

RC-(CN)OSi(CH3)3 + R1R2C=O → R1R2C(-O-)-CR(CN)OSi(CH3)3
R1R2C(-O-)-CR(CN)OSi(CH3)3 + 2H2O → R1R2C(OH)-COR + HCN + [(CH3)3SiOH]

Триметилсилилоксинитрил-карбанионы также могут быть алкилированы алкилгалогенидами и далее гидролизованы до кетонов заданной структуры:

RC-(CN)OSi(CH3)3 + R1Hal → RR1C(CN)OSi(CH3)3 + Hal-
RR1C(CN)OSi(CH3)3 + H2O → RR1CO + HCN + [(CH3)3SiOH]

Нахождение в природе править

 
Амигдалин — генцибиозид бензальдегидциангидрина (нитрила миндальной кислоты).

Циангидрины являются агликонами цианогенных гликозидов, встречающихся во многих видах растений: бензальдегидциангидрин амигдалина растений рода слива Prunus и дуррина сорго, ацетонциангидрин линамарина маниоки и льна, этилметилкетонциангидрин лотаустралина маниоки, клевера ползучего и Lotus australis и др.

Высвобождающиеся при гидролизе цианогенных гликозидов циангидрины в физиологических условиях разлагаются с образованием соответствующего карбонильного соединения и синильной кислоты, что обуславливает токсичность растений, содержащих цианогенные гликозиды.

У двупарноногих многоножек рода Aphelora — A. corrugata и A. trimaculata бензальдегидциангидрин (наряду с бензоилцианидом) синтезируется и накапливается в ядовитых железах и в случае опасности гидролизуется с выделением синильной кислоты[8].

Примечания править

  1. cyanohydrins // IUPAC Gold Book. Дата обращения: 1 сентября 2010. Архивировано 3 марта 2016 года.
  2. "N-NITROMORPHOLINE". Organic Syntheses. 43: 83. 1963. doi:10.15227/orgsyn.043.0083. eISSN 2333-3553. ISSN 0078-6209. Архивировано из оригинала 1 марта 2022. Дата обращения: 24 сентября 2020.
  3. "2-METHYL-2-(TRIMETHYLSILOXY)PENTAN-3-ONE". Organic Syntheses. 63: 79. 1985. doi:10.15227/orgsyn.063.0079. eISSN 2333-3553. ISSN 0078-6209. Архивировано из оригинала 9 марта 2022. Дата обращения: 24 сентября 2020.
  4. "METHACRYLAMIDE". Organic Syntheses. 29: 61. 1949. doi:10.15227/orgsyn.029.0061. eISSN 2333-3553. ISSN 0078-6209. Архивировано из оригинала 27 февраля 2022. Дата обращения: 24 сентября 2020.
  5. Paul G. Gassman and John J. Talley. CONVERSION OF KETONES TO CYANOHYDRINS: BENZOPHENONE CYANOHYDRIN. Org. Synth. 1981, 60, 14 Архивная копия от 17 августа 2021 на Wayback Machine DOI: 10.15227/orgsyn.060.0014
  6. Tom Livinghouse. TRIMETHYLSILYL CYANIDE: CYANOSILATION OF p-BENZOQUINONE. Org. Synth. 1981, 60, 126 Архивная копия от 11 июля 2021 на Wayback Machine DOI: 10.15227/orgsyn.060.0126
  7. Li, J. J. Fischer Oxazole Synthesis. In Name Reactions: A Collection of Detailed Mechanisms and Synthetic Applications, 4th ed.; Springer-Verlag Berlin Heidelberg: New York, 2003, 229-230. (Review). ([1] Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine)
  8. Semiochemicals of Apheloria corrugata // PheroBase. Дата обращения: 14 марта 2012. Архивировано 18 января 2010 года.

Литература править

Science of Synthesis: Houben-Weyl Methods of Molecular Transformations Vol. 19: Three Carbon-Heteroatom Bonds: Nitriles, Isocyanides, and Derivatives. — Georg Thieme Verlag, 2014-05-14. — ISBN 978-3-13-171921-8.