Введение

Органическое соединение с функциональной группой −C≡N, класс органических соединений.

В органической химии нитрил – это любое органическое соединение, содержащее функциональную группу −C≡N. Название соединения формируется от основы, включающей углеродный атом функциональной группы −C≡N, с добавлением суффикса "нитрил", например, CH3CH2C≡N называется "пропионитрил" (или пропанитрил). В промышленной литературе префикс "циано" используется как синоним термина "нитрил". Нитрилы входят в состав многих полезных соединений, таких как метилцианоакрилат, используемый в суперклее, и нитриловый каучук – полимер, содержащий нитрильные группы, применяемый при производстве лабораторных и медицинских перчаток без латекса. Нитриловый каучук также широко используется в качестве автомобильных и других уплотнителей благодаря своей устойчивости к топливу и маслам. Органические соединения, содержащие несколько нитрильных групп, известны как цианоуглероды. Неорганические соединения, содержащие группу −C≡N, называются не нитрилами, а цианидами. Хотя и нитрилы, и цианиды могут быть получены из солей цианидов, большинство нитрилов значительно менее токсичны.

Структура и основные свойства

Геометрия N−C−C линейна в нитрилах, что отражает sp-гибридизацию углерода в тройной связи. Расстояние C−N короткое и составляет 1,16 Å, что согласуется с наличием тройной связи. Нитрилы являются полярными соединениями, о чем свидетельствуют высокие дипольные моменты. В жидком состоянии они обладают высокой относительной диэлектрической проницаемостью, часто порядка 30.

История

Первое соединение гомологического ряда нитрилов, нитрил муравьиной кислоты, цианистый водород, было впервые синтезировано К. В. Шеелем в 1782 году. В 1811 году Ж. Л. Гей-Люссак смог получить очень токсичную и летучую чистую кислоту. Около 1832 года бензонитрил, нитрил бензойной кислоты, был получен Фридрихом Вёлером и Юстусом фон Либихом, но из-за крайне низкого выхода синтеза не были определены ни физические, ни химические свойства, ни предложена структура. В 1834 году Теофиль Жюль Пелуз синтезировал пропионитрил, полагая, что это эфир пропионового спирта и цианистоводородной кислоты. Синтез бензонитрила Германом Фелингом в 1844 году путем нагревания бензоата аммония стал первым методом, позволившим получить достаточное количество вещества для химических исследований. Фелинг определил структуру, сравнив полученные результаты с уже известным синтезом цианистого водорода из формата аммония при нагревании. Он предложил название "нитрил" для этого нового вещества, которое впоследствии стало названием для всей группы этих соединений.

Синтез

В промышленности основными методами производства нитрилов являются аммоксидация и гидроцианизация. Оба этих метода можно считать экологически чистыми, поскольку они не образуют стехиометрические количества солей.

Из органических галоидов и солей цианидов

Для реакций в лабораторном масштабе широко используются две реакции метатеза солей. В синтезе нитрила Колбе алкилгалогениды вступают в реакцию нуклеофильного алифатического замещения с цианидами щелочных металлов. Арилнитрилы получают в синтезе Розенмунда-фон Брауна. В общем случае, цианиды металлов реагируют с алкилгалогенидами, образуя смесь нитрила и изодинитрила, однако правильный выбор противоиона и температуры может минимизировать образование последнего. Алкилсульфаты полностью исключают эту проблему, особенно в безводных условиях (синтез Пелуза).

Обезвоживание амидов

Нитрилы можно получить обезвоживанием первичных амидов. Обычно для этого используют пентоксид фосфора (P2O5) и тионилхлорид (SOCl2). При аналогичном обезвоживании вторичные амиды дают нитрилы посредством деградации амидов по фон Брауну. В этом случае разрывается одна связь C≡N.

Из альдегидов и оксимов

Преобразование альдегидов в нитрилы через альдоксимы – распространенный лабораторный метод. Альдегиды легко реагируют с солями гидроксиламина, иногда даже при комнатной температуре, образуя альдоксимы. Эти альдоксимы можно обезвоживать до нитрилов простым нагреванием, хотя для этого можно использовать широкий спектр реагентов, включая триэтиламин/диоксид серы, цеолиты или сульфурилхлорид. Аналогично реагирует и гидроксиламин O-сульфоновая кислота. В специализированных случаях может быть применена реакция Ван Лейзена. Также эффективны биокатализаторы, такие как алифатическая альдоксим-дегидратаза.

Реакции

Нитрильные группы в органических соединениях могут вступать в разнообразные реакции в зависимости от реагентов или условий. Нитрильная группа может гидролизоваться, восстанавливаться или отщепляться от молекулы в виде цианид-иона.

Сокращение

Нитрилы подвержены гидрогенизации в присутствии различных металлических катализаторов. В зависимости от условий, реакция может приводить либо к первичному амину (RCH₂NH₂), либо к третичному амину ((RCH₂)₃N). В традиционных органических реакциях восстановления нитрил восстанавливают обработкой гидридом лития-алюминия до амина. Восстановление до имина с последующим гидролизом до альдегида происходит в синтезе альдегида Стивена, в котором используется хлорид олова(II) в кислой среде.

Депротонизация

Алкильные нитрилы достаточно кислые, чтобы подвергаться депротонированию C–H связи, соседней с группой CN. Для этого требуются сильные основания, такие как литийдиизопропиламид и бутиллитий. Образующийся продукт называется нитрил-анионом. Эти карбанионы алкилируют широкий спектр электрофилов. Основой исключительной нуклеофильности является небольшая стерическая загруженность CN-группы в сочетании с ее индуктивной стабилизацией. Эти особенности делают нитрилы идеальными для образования новых углерод-углеродных связей в стерически затрудненных условиях.

Осложнения

Нитрилы являются предшественниками нитриловых комплексов переходных металлов, которые используются в качестве реагентов и катализаторов. Примеры включают тетракис(ацетонитрил)гексафторфосфат меди(I) ([Cu(MeCN)4]+) и дихлорид бис(бензонитрил)палладия ([PdCl2(PhCN)2]).

Органические цианамиды

Цианамиды — это N-цианосоединения общей структуры R¹R²N–C≡N, связанные с цианамидом.

Оксиды нитрила

Нитриловые оксиды имеют химическую формулу |RCNO. Их общая структура |R\sC\tN+\sO. R обозначает любую группу (обычно органил, например, ацетонитриловый оксид |CH3\sC\tN+\sO−, водород в случае фулмининовой кислоты |H\sC\tN+\sO−, или галоген, например, хлор фулминат |Cl\sC\tN+\sO−). Они используются в 1,3-диполярных циклоприсоединениях. Они подвергаются диотропной перегруппировке типа 1 в изоцианаты. Их можно использовать для синтеза изоксазолов. В настоящее время на рынке представлено более 30 фармацевтических препаратов, содержащих нитрильную группу, для широкого спектра медицинских показаний, и более 20 дополнительных соединений с нитрильной группой находятся в стадии клинических разработок. Фармацевтические препараты, содержащие нитрилы, разнообразны: от вилдаглиптина, препарата для лечения диабета, до анастрозола, являющегося золотым стандартом в лечении рака молочной железы. Во многих случаях нитрильная группа имитирует функциональность, присутствующую в субстратах для ферментов, тогда как в других случаях она повышает растворимость в воде или снижает восприимчивость к окислительному метаболизму в печени. Нитрильная функциональная группа содержится в нескольких лекарственных препаратах.