Нитрилы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нитрилы

Нитри́лы — органические соединения общей формулы R—C≡N, формально являющиеся C-замещенными производными синильной кислоты HC≡N[1].

Группа —C≡N называется нитрильной группой.

Номенклатура[править | править код]

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[2], 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[править | править код]

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 σM = 0,56; σn = 0,66; σn- = 1,00; σn+ = 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[править | править код]

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:

Гидролиз нитрилов в щелочной среде даёт соли карбоновых кислот.

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

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:

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:

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

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:

Реакция нитрилов с карбонильными соединениями по Кнёвенагелю ведёт к цианоалкенам:

Получение[править | править код]

Нитрилы получают следующими способами:

Дегидратацией амидов, альдоксимов, аммониевых солей карбоновых кислот
Катализатор - оксид фосфора (V)
Алкилированием солей синильной кислоты
По реакции Зандмейера
Присоединением синильной кислоты (используется в промышленности)
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.:

Окислением аминов

Применение[править | править код]

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[править | править код]

Биосинтез дуррина, цианогенного гликозида сорго двуцветного. Окисление p-гидроксибензилцианида, образующегося из тирозина, происходит под действием монооксигеназы CYP71E1[3]

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[4]:

R1R2CHCN + [O] R1R2C(OH)CN
R1R2C(OH)CN + H2O 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[5]:

(CH3CONH)(HOOC)CHCH2SH + H2C=CH-CN (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[6].

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

Примечания[править | править код]

  1. nitriles // IUPAC Gold Book. Дата обращения: 23 октября 2011. Архивировано 25 марта 2017 года.
  2. carbonitriles // IUPAC Gold Book. Дата обращения: 23 октября 2011. Архивировано 18 марта 2012 года.
  3. Busk, Peter Kamp (July 2002). "Dhurrin Synthesis in Sorghum Is Regulated at the Transcriptional Level and Induced by Nitrogen Fertilization in Older Plants". Plant Physiology. 129 (3): 1222—1231. doi:10.1104/pp.000687. PMC 166516. PMID 12114576.
  4. Levels, Committee on Acute Exposure Guideline. Aliphatic Nitriles // Acute Exposure Guideline Levels for Selected Airborne Chemicals: Volume 16 / Committee on Acute Exposure Guideline Levels, Committee on Toxicology, Board on Environmental Studies and Toxicology … [и др.]. — National Academies Press (US), 2014-03-21.
  5. Wakefield, J C Acrylonitrile. Toxicological overview. UK Health Protection Agency (2007).
  6. Ahmed, Ahmed E.; Farooqui, Mohammed Y. H. (1982-07-01). "Comparative toxicities of aliphatic nitriles". Toxicology Letters. 12 (2): 157—163. doi:10.1016/0378-4274(82)90179-5. ISSN 0378-4274. Дата обращения: 19 февраля 2024.

Литература[править | править код]

  • 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[править | править код]