Изоцианаты

Изоцианаты — органические соединения, содержащие функциональную группу −N=C=O.

Реакционная способность

Реакции с нуклеофилами

Изоцианаты, будучи гетерокумуленами, являются активными электрофильными реагентами и реагируют с нуклеофилами по общей схеме:

${\ce {R-N=C=O + NuH -> RNH-CO-Nu}}$

В случае пристутствия в нуклеофильной молекуле двух нуклеофильных центров направление реакции зависит от жёсткости/мягкости нуклеофильного центра реагента и электроотрицательности изоцианата. Так, при взаимодействии с ацетилацетоном электрондефицитных вследствие индуктивного эффекта тригалогенацетильной группы трихлорацетил- и трифторацетилизоцианатов реакция идёт по жёсткому кислородному центру с образованием O-аддукта в то время как фенилизоцианат даёт смесь O- и C-аддуктов.

Реакции с N-нуклеофилами

При взаимодействии с первичными и вторичными аминами они образуют замещённые мочевины:

${\ce {R-N=C=O + R2NH -> RNH-CO-NR2}}$

Взаимодействие иминофосфоранов с изоцианатами по типу реакции Виттига является одним из методов синтеза карбодиимидов:

${\ce {R-N=P-Ph3 + R'NCO -> R'-N=CN-R + Ph3P=O}}$

Изоцианаты также реагируют с амидами карбоновых кислот, образуя ацилмочевины, однако, из-за пониженной нуклеофильности азота амидов взаимодействие идёт в более жёстких, по сравнению с аминами условиях и в ряде случаев осложняется образованием побочных продуктов,:

${\ce {R^1-N=C=O + RCONH2 -> R^1-NHCONH-COR}}$

Реакции с O- и S-нуклеофилами

При взаимодействии со спиртами и тиолами — карбаматы (уретаны) и тиокарбаматы:

${\ce {R-N=C=O + RXH -> RNH-CO-XR}}$

${\ce {R = O, S}}$

Изоцианаты гидролизуются водой до аминов и углекислоты:

${\ce {R-N=C=O + H2O -> R-NH2 + CO2}}$

При нагреве арилизоцианатов с карбоновыми кислотами в диметилсульфоксиде сначала образуются нестабильные смешанные ангидриды, которые затем отщепляют ${\ce {CO2}}$ с образованием N-замещённых амидов, побочной реакцией является образование ангидрида карбоновой кислоты, в которой изоцианат выступает в роли дегидратирующего агента,:

${\ce {R-N=C=O + R^1COOH -> R-NH-CO-O-COR^1}}$

${\ce {R-NH-CO-O-CORR^1 -> R^1CONHR + CO2}}$

В реакцию с изоцианатами также вступают триалкиламмониевые соли карбоновых кислот, в этом случае реакция идёт в растворе диметилформамида при комнатной температуре и даёт хорошие выходы N-замещённых амидов алифатических, ароматических и гетероароматических кислот.

Реакции с C-нуклеофилами

Изоцианаты и изотиоцианаты реагируют с реагентами Гриньяра и литийорганическими соединениями с образованием N-замещённых амидов карбоновых кислот,

${\ce {R-N=C=X + R^1M -> R^1CXNHR}}$

${\ce {X = O, S}}$, ${\ce {M = Li, MgHal}}$

при использовании в качестве катализатора дициклопентадиенилдихлорида титана ${\ce {Cp2TiCl2}}$ взаимодействие алкилмагнийорганических соединений может идти с перестройкой углеродного скелета:

${\ce {R-CH(CH3)MgBr + PhNCO ->[{\ce {Cp2TiCl2}}] RCH2CH2CONHPh}}$

Изоцианаты ацилируют еноляты кетонов и енамины, эта реакция используется как препаративный метод синтеза амидов β-кетокислот (β-кетоамидов),:

${\ce {R^1-N=C=O + R^2-CH=C(X)R^3 -> R^3-CO-CHR^2-CONHR^1}}$

${\ce {X = OLi, ONa, NR2}}$

Реакции с P-нуклеофилами

Изоцианаты реагируют с фосфорорганичесими соединениями, содержащими связь ${\ce {P-H}}$ с образованием карбамоилпроизводных ${\ce {P-CONHR}}$.

Фосфин реагирует с арилизоцианатами в мягких условиях (комнатная температура, давление 2-4 атм) с образованием трикарбамоилфосфинов, выходы увеличиваются с ростом электрондефицитности изоцианата (13% для фенил-, 55% для p-хлорфенил- и 100% для p-нитрофенилизоцианата):

${\ce {3 Ar-N=C=O + PH3 -> (ArNHCO)3P}}$

Аналогично изоцианаты (и изотиоцианаты) реагируют и с первичными и вторичными фосфинами - с образованием соответствующих карбоксамидов, выходы при этом могут достигать 99%:

${\ce {R^1-N=C=O + R2PH -> R^1NHCOPR2}}$,

а также с оксидами вторичных фосфинов и диалкилфосфитами,:

${\ce {R^1-N=C=O + R2P(O)H -> R^1NHOCP(O)R2}}$

${\ce {R^1-N=C=O + (RO)2P(O)H -> R^1NHOCP(O)(OR)2}}$

Триалкилфосфиты ${\ce {P(OR)3}}$, не содержащие связи ${\ce {P-H}}$, восстанавливают изоцианаты до изонитрилов, выходы при этом от низких для ароматических изоцианатов до средних для алифатических изоцианатов,.

Триалкил- и триарилфосфины в реакцию с изоцианатами не вступают (но, при этом, катализируют димеризацию изоцианатов в уретдионы) из-за нестабильности фосфониевого цвиттер-иона ${\ce {R3P+C(N=R)O-}}$, являющегося продуктом такого взаимодействия. Однако в случае взаимодействия изоцианатов с соединениями, являющимися внутримолекулярными фрустрированными Льюис-парами - в частности, содержащими фосфиновый и борановый фрагменты в гем- или виц-положениях, промежуточный фосфониевый цвиттер-ион «перехватывается» борановым фрагментом с переносом отрицательного заряда на атом бора и образованием стабильного пяти- или шестичленного цвиттер-иона.

Окисление и восстановление

Изоцианатизоцианаты во влажном ацетоне с хорошими выходами окисляются диметилдиоксираном до нитросоединений:

${\ce {RNCO ->[{\ce {[O]}}] RNO2}}$

Исчерпывающее восстановление изоцианатов сопровождается расщеплением связи N=C и ведёт к образованию соответствующих аминов, однако однако выбором соответствующего восстановителя изоцианаты могут быть восстановлены с сохранением связи углерод-азот с образованием изонитрилов, N-замещённых формамидов и метиламинов.

До изонитрилов изоцианаты могут быть восстановлены замещёнными силанами, в частности комплексом трихлорсилана с триэтиламином или дифенил-трет-бутилсилиллитием:

${\ce {RNCO ->[{\ce {[H]}}] R-N+#C-}}$

Восстановление изонитрилов до N-замещённых формамидов идёт под действием алкоксиалюмогидридов лития при катализе реагентом Шварца (выходы до 95%, нитро- и нитрильные группы не затрагиваются), триалкилсиланами при катализе хлоридом палладия, или пинаколборана с катализом комплексами магния (с образованием N-борилформамидов, которые далее гидролизуются):

${\ce {RNCO ->[{\ce {[H]}}] R-NH-CHO}}$

Восстановление изоцианатов и изотиоцианатов алюмогидридом лития в эфире или бораном аммиака при катализе ${\ce {BF3.OEt2}}$ ведёт к восстановлению карбонильной группы изоцианата до метильной группы с образованием соответствующих метиламинов:

${\ce {RNCO ->[{\ce {[H]}}] R-NH-CH3}}$

Циклоприсоединение

1,2-циклоприсоединение изоцианатов к алкенам используется для синтеза напряжённых N-замещённых β-лактамов, являющихся, в частности, структурным фрагментом антибиотиков пенициллинового ряда. Для получения незамещённых лактамов применяется N-хлорсульфонилизоцианат, способный присоединяться даже к простейшим незамещённым алкенам с лёгким удалением хлорсульфонильной группы. В реакции с 1,3-диенами N-хлорсульфонилизоцианат способен образовывать и продукты 1,4-циклоприсоединения.

Изоцианаты способны к димеризации с образованием уретдионов (1,2-азетидин-2,4-дионов), реакция катализируется триалкилфосфинами и, с меньшей эффективностью, третичными аминами (например, пиридином). Реакция обратима, при нагреве уретдионы разлагаются с образованием исходных изоцианатов:

Изоцианаты также могут тримеризоваться с образованием три-N-замещённых циануровых кислот, эта реакция катализируется слабыми основаниями (ацетатом калия, триэтиламином и т. п.).

Взаимодействие изоцианатов с N-замещёнными азиридинами при катализе йодидом никеля ведёт к [3+2] присоединению с образованием с хорошими иминооксазолидинов, которые в условиях реакции изомеризуются в имидазолидиноны.

Синтез

Изоцианаты из аминов

Наиболее распространённый метод синтеза изоцианатов — реакция аминов с фосгеном (фосгенирование аминов), реакция идёт в среде инертного растворителя через промежуточное образование карбамоилхлоридов:

${\ce {RNH2 ->[{\ce {COCl2}}][-{\ce {HCl}}] RNHCOCl ->[][-{\ce {HCl}}] RNCO}}$

Этот метод является и основным промышленным методом синтеза изоцианатов.

В случае синтеза промышленно важных диизоцианатов, использующихся в производстве полиуретанов (толуилендиизоцианат, дифенилметандиизоцианат) фосгенирование ведут в две стадии:

• Синтез моноизоцианата фосгенированием диамина при относительно низкой температуре (холодное фосгенирование):

  ${\ce {H2N-R-NH2 + COCl2 -> OCN-R-NH2.HCl}}$

• Синтез диизоцианата фосгенированием гидрохлорида аминоизоцианата при относительно высокой температуре (горячее фосгенирование):

  ${\ce {OCN-R-NH2.HCl + COCl2 -> OCN-R-NCO + 2 HCl}}$

Другой метод синтеза изоцианатов, использующийся в промышленности — термическое разложение карбаматов:

${\ce {R'-NH-COOR -> R'NCO + ROH}}$

Карбаматы, в свою очередь, могут быть получены реакцией соответствующего амина с мочевиной и спиртом:

${\ce {R'-NH2 + (NH2)2CO + ROH -> R'-NH-COOR + 2 NH3}}$

либо взаимодействием амина с диалкилкарбонатами:

${\ce {R'-NH2 + (RO)2CO -> R'-NH-COOR + ROH}}$

Такой «бесфосгенный» метод в промышленности используется для синтеза алифатических изоцианатов, в частности, гексаметилендиизоцианата.

В лабораторной практике вместо газообразного и опасного в обращении фосгена может быть использован оксалилхлорид — он реагирует с аминами и амидами с образованием соответствующих изоцианатов, отщепляя оксид углерода:

${\ce {RNH2 + (COCl)2 -> RNCO + CO + 2 HCl}}$

Таким образом могут быть синтезированы как ацилизоцианаты, так и сульфонилизоцианаты.

Изоцианаты из карбоновых кислот и их производных

Изоцианаты, гидролизующиеся in situ до аминов, также образуются в качестве промежуточных продуктов в перегруппировках Гофмана, Курциуса и Лоссена и могут быть выделены при проведении реакции в инертных растворителях:

Реакция Гофмана:

${\ce {RCONH2 + Hal2 -> RCONHHal -> RNCO + HHal}}$

Реакция Курциуса:

${\ce {RCOCl + NaN3 -> RCON3 -> RNCO + N2}}$

Перегруппировка Лоссена:

${\ce {RC(O)-NH-OR' + OH- -> R'NCO + RCOO-}}$

Присоединение изоциановой кислоты к алкенам

Изоцианаты также могут быть синтезированы присоединением изоциановой кислоты к алкенам, легче всего реагируют алкены с терминальной двойной связью и электрондонорным заместителем при двойной связи, например, виниловые эфиры:

${\ce {RO-CH=CH2 + HNCO -> RO-CH(CH3)-N=C=O}}$

Аналогично с изоциановой кислотой реагируют и стирол и его гомологи, изопрен и другие алкены, проведение реакции с неактивированными электрондонорными заместителями алкенами идёт в более жёстких условиях и под действием катализаторов (эфират трифторида бора, p-толуолсульфокислота).

Прочие методы

Изонитрилы окисляются до изоцианатов под действием разнообразных окислителей — оксида ртути(II), диметилсульфоксида и т. д., окисление диметилсульфоксидом используется как препаративный метод синтеза

${\ce {R-N#C ->[{\ce {[O]}}] RNCO}}$

Изотиоцианаты с хорошими выходами окисляются диметилдиоксираном а ацетоне до изоцианатов:

${\ce {R-N=C=S ->[{\ce {[O]}}] RNCO}}$

Амины взаимодействуют с диоксидом углегода условиях реакции Мицунобу с образованием изоцианатов, движущей силой реакции являетяс образование фосфиноксида:

${\ce {R'NH2 + CO2 + AlkO2C-N(P+R3)-N- -CO2Alk -> R'NCO + AlkO2C-NH-NH-CO2Alk + R3P=O}}$

Реакция аминов с ди-трет-бутилтрикарбонатом идёт в мягких условиях и даёт изоцианаты с хорошими выходами, преимуществом этого метода является лёгкость синтеза и доступность ди-трет-бутилтрикарбоната, являющегося промежуточным продуктом в синтезе ди-трет-бутилдикарбоната - реагента для Boc-защиты аминогрупп:

${\ce {RNH2 ->[{t-BuO(COO)3Bu-t}] RNCO}}$

Применение

Основное промышленное применение изоцианатов — использование их в сочетании с многоатомными спиртами для дальнейшего синтеза полиуретанов. Метилизоцианат используется в синтезе пестицидов.

4,4-Метилендифенилдиизоцианат (MDI)

Объём мирового рынка изоцианатов в 2000 году составлял 4,4 миллиона тонн, из которых 61,3 % приходилось на метилендифенилдиизоцианат (МДИ), 34,1 % на толуилендиизоцианат (ТДИ), 3,4 % на гескаметилендиизоцианат (ГДИ) и 1,2 % на изофоронилдиизоцианат (ИФДИ).

См. также

• Метилендифенилдиизоцианат
• Толуилендиизоцианат

Литература

• Общая органическая химия / Под ред. Д. Бартона и У. Д Уиллиса / Том 3. Азотсодержащие соединения. «Химия», М. 1982.
• Pahar, Sanjukta; Górecka, Aleksandra; Richards, Emma; Melen, Rebecca L. (20 декабря 2023). Flourishing reactivities of isocyanates and isothiocyanates using group 13 elements. Cell Reports Physical Science. 4 (12). doi:10.1016/j.xcrp.2023.101745. ISSN 2666-3864. Дата обращения: 13 марта 2025.