Nitrilo

miniatura|A estrutura dun nitrilo co grupo funcional salientado en azul

Un nitrilo é un composto orgánico que ten un grupo funcional −C≡N.IUPAC Gold Book nitriles O prefixo ciano- e o termo nitrilo utilízanse de maneira indistinta na literatura industrial. Os grupos nitrilo encóntranse en moitos compostos útiles, como o metil cianoacrilato, usado nas supercolas e na goma de nitrilo, un polímero que contén nitrilo usado en laboratorios libres de látex e en luvas médicas. A goma de nitrilo utilízase moito tamén na industria da automoción para facer mangueiras e selados, xa que é resistente a aceites e combustibles. Os compostos orgánicos que conteñen múltiples grupos nitrilo coñécense como cianocarburos.

Os compostos inorgánicos que conteñen o grupo −C≡N non se denominan nitrilos senón cianuros.NCBI-MeSH Nitriles Aínda que tanto os nitrilos coma os cianuros poden derivarse a partir de sales de cianuro, a maioría dos nitrilos son moito menos tóxicos.

Estrutura e propiedades básicas

A xeometría do N−C−C é linear nos nitrilos, reflectindo a hibridación sp do carbono con enlace triplo. A distancia C−N é curta, de 1,16 Å, o que concorda cun triplo enlace. Os nitrilos son polares, como indican os seus elevados momentos diplolares. Como líquidos teñen altas permitividades relativas, a miúdo con valores da orde de 30.

Historia

O primeiro composto homólogo aos nitrilos, o nitrilo do ácido fórmico, chamado cianuro de hidróxeno, foi sintetizado por Carl Wilhelm Scheele en 1782.Ver: Carl W. Scheele (1782) "Försök, beträffande det färgande ämnet uti Berlinerblå" (Experimento sobre a substancia coloreada de azul Berlín), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens handlingar (Real Academia Sueca de Procedementos Científicos), 3: 264–275 (en sueco). Reimpreso en latín como: "De materia tingente caerulei berolinensis" en: Carl Wilhelm Scheele con Ernst Benjamin Gottlieb Hebenstreit (ed.) e Gottfried Heinrich Schäfer (trans.), Opuscula Chemica et Physica (Leipzig ("Lipsiae"), (Alemaña): Johann Godfried Müller, 1789), vol. 2, páxinas 148–174. En 1811 J. L. Gay-Lussac conseguiu preparar o ácido puro, moi tóxico e volátil.Gay-Lussac produciu cianuro de hidróxeno puro licuado en: Gay-Lussac (1811) "Note sur l'acide prussique" (Nota sobre o ácido prúsico), Annales de chimie, 44: 128 – 133. Arredor de 1832 Friedrich Wöhler e Justus von Liebig prepararon o benzonitrilo, o nitrilo do ácido benzoico, pero debido ao rendemento mínimo da síntese non determinaron as súas propiedades físicas nin químicas nin suxeriron unha estrutura. En 1834 Théophile-Jules Pelouze sintetizou o propionitrilo, suxerindo que era un éter do alcohol propiónico e o ácido hidrociánico. A síntese de benzonitrilo feita por Hermann Fehling en 1844 ao quentar benzoato amónico foi o primeiro método de obter unha cantidade de substancia suficiente para a investigación química. Fehling determinou a estrutura comparando os seus resultados coa a síntese xa coñecida de cianuro de hidróxeno quentando formiato amónico. Foi el quen acuñou o nome "nitrilo" (benzonitrilo) para a nova substancia, que se convertería no nome de todo este grupo de compostos. Na páxina 96, Fehling escribiu: "Da Laurent den von ihm entdeckten Körper schon Nitrobenzoyl genannt hat, auch schon ein Azobenzoyl existirt, so könnte man den aus benzoësaurem Ammoniak entstehenden Körper vielleicht Benzonitril nennen." (Como Laurent nomeou a substancia que el descubrira "nitrobenzoíl" – tamén existía xa un "azobenzoíl" – talvez podemos chamar a substancia que se orixina a partir do benzoato de amonio "benzonitrilo".)

Síntese Industrialmente, os principais métodos de producir nitrilos son a amoxidación e a hidrocianación. Ambas as rutas son de "quimica verde" porque non xeran cantidades estequiométricas de sales.

Amoxidación

Na amoxidación, un hidrocarburo é parcialmente oxidado en presenza de amoníaco. Esta conversión é realizada a grande escala para o acrilonitrilo:Peter Pollak, Gérard Romeder, Ferdinand Hagedorn, Heinz-Peter Gelbke "Nitriles" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH, Weinheim. CH3CH=CH2 + O2 + NH3 → NCCH=CH2 + 3 H2O Na produción de acrilonitrilo, un produto secundario é o acetonitrilo. A escala industrial prepáranse por amoxidación varios derivados do benzonitrilo, ftalonitrilo e isobutironitrilo. O proceso é catalizado por óxidos metálicos e considérase que se produce por medio da imina.

Hidrocianación

A hidrocianación é un método industrial para producir nitrilos a partir de cianuro de hidróxeno e alquenos. O proceso require catalizadores homoxéneos. Un exemplo de hidrocianación é a produción de adiponitrilo, un precursor do nailon-6,6 a partir de 1,3-butadieno: CH2=CH−CH=CH2 + 2 HCN → NC(CH2)4CN

A partir de haluros orgánicos e sales de cianuro

Dúas reaccións de metátese de sales son comúns como reaccións a escala de laboratorio. Na síntese de nitrilo de Kolbe, os haluros de alquilo sofren unha substitución alifática nucleofílica con cianuros de metal alcalino. Os nitrilos de arilo prepáranse pola síntese de Rosenmund-von Braun.

Cianohidrinas

miniatura|Síntese de nitrilos aromáticos por medio de cianohidrinas sililadas As cianohidrinas son un tipo especial de nitrilos. Clasicamente son o resultado da adición de cianuros de metal alcalino a aldehidos na reacción da cianohidrina. Debido á polaridade do carbonilo orgánico, esta reacción non necesita catalizador, a diferenza da hidrocianación de alquenos. As O-silil cianohidrinas xéranse pola adición de cianuro de trimetilsililo en presenza dun catalizador (sililcianación). As cianohidrinas tamén se preparan por reaccións de transcianohidrina que empezan, por exemplo, con cianohidrina de acetona como fonte de HCN.

Deshidración de amidas e oximas

Os nitrilos poden prepararse por deshidración de amidas primarias. En presenza de etil diclorofosfato e DBU a benzamida convértese en benzonitrilo: Outros reactivos usados comunmente para este propósito son o P4O10 e o SOCl2. 400px|Deshidratación de amidas Dous intermediarios nesta reacción son o tautómero de amida A e o seu aduto fosfato B. Nunha deshidratación relacionada, as amidas secundarias dan nitrilos pola degradación de amidas de von Braun. Neste caso rompe un enlace C-N. A deshidratación de aldoximas (RCH=NOH) tamén proporciona nitrilos. Reactivos típicos para esta transformación son a trietilamina/dióxido de xofre, as ceolitas ou o cloruro de sulfurilo. Aprovéitase esta estratexia na síntese one pot (nun só reactor) de nitrilos a partir de aldehidos con hidroxilamina en presenza de sulfato de sodio. 400px|Síntese one pot a partir de aldehidos

A partir de ácidos carboxílicos de arilo (síntese de nitrilo de Letts).

Reacción de Sandmeyer Os nitrilos aromáticos prepáranse con frecuencia no laboratorio a partir da anilina por medio de compostos de diazonio. Esta é a reacción de Sandmeyer, para a cal cómpren cianuros de metal de transición."o-Tolunitrile and p-Tolunitrile" H. T. Clarke and R. R. Read Org. Synth. 1941, Coll. Vol. 1, 514. + CuCN → ArCN + N2 + Cu+

Outros métodos

Unha fonte comercial de grupos cianuro é o cianuro de dietilaluminio Et2AlCN, que pode prepararse a partir de trietilaluminio e HCN. Foi utilizado en adición nucleofílica a cetonas. Un exemplo do seu uso dáse na síntese total de Taxol de Kuwajima Os ións cianuro facilitan o acoplamento de dibromuros. A reacción do ácido α,α′-dibromoadípico con cianuro de sodio en etanol rende o ciano ciclobutano: 300px Na denominada reacción de Franchimont (que foi desenvolvida polo estudante doutoral belga Antoine Paul Nicolas Franchimont (1844-1919) en 1872) un ácido α-bromocarboxílico é dimerizado despois dunha hidrólise do cianogrupo e descarboxilación. Poden prepararse nitrilos aromáticos a partir da hidrólise básica de aril cetiminas de triclorometilo (RC(CCl3)=NH) na síntese de Houben-Fischer.J. Houben, Walter Fischer (1930) "Über eine neue Methode zur Darstellung cyclischer Nitrile durch katalytischen Abbau (I. Mitteil.)," Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series) 63 (9): 2464 – 2472. Poden obterse nitrilos a partir de aminas primarias por oxidación. Entre os métodos comúns están o uso de persulfato de potasio, ácido tricloroisocianúrico, ou electrosíntese anódica. Os α-aminoácidos forman nitrilos e dióxido de carbono por varios medios de descarboxilación oxidtiva. Henry Drysdale Dakin descubriu esta oxidación en 1916.

Reaccións

Os grupos nitrilo en compostos orgánicos poden sufrir diversas reaccións dependendo dos reactivos ou condicións. Un grupo nitrilo pode ser hidrolizado, reducido ou retirado da molécula como un ión cianuro.

Hidrólise

A hidrólise de nitrilos RCN prodúcense nas súas distintas etapas baixo tratamento ácido ou básico para dar primeiramente carboxamidas RC(=O)NH2 e despois ácidos carboxílicos RCOOH. A hidrólise de nitrilos a ácidos carboxílicos é eficaz. En ácidos ou bases, as ecuacións de equilibrio son as seguintes:

RCN + 2H2O + HCl → RCO2H + NH4Cl RCN + H2O + NaOH → RCO2Na + NH3

Nótese que falando estritamente, estas reaccións están mediadas (e non catalizadas) por ácidos ou bases, xa que se consome un equivalente do ácido ou base para formar o sal de amonio ou carboxilato, respectivamente.

Os estudos cinéticos mostran que a constante de velocidade de segunda orde para a hidrólise catalizada por ión hidróxido do acetonitrilo a acetamida é de 1,6 × 10−6 M−1 s−1, a cal é máis lenta que a hidrólise da amida a carboxilato (7,4 × 10−5 M−1 s−1). Así, a ruta de hidrólise básica proporcionará carboxilato (ou a amida contaminada con carboxilato). Por outra parte, as reaccións catalizadas por ácido requiren un coidadoso control da temperatura e da proporción de reactivos para evitar a formación de polímeros, o cal é promovido polo carácter exotérmico da hidrólise. O procedemento clásico para converter un nitrilo na correspondente amida primaria esixe engadir o nitrilo a ácido sulfúrico concentrado frío. A subseguinte conversión a ácido carboxílico está desfavorecida pola baixa temperatura e a baixa concentración de auga.

RCN + H2O → RC(O)NH2 (H2SO4 é un catalizador)

A hidrólise de nitrilos é catalizada por dúas familias de enzimas. As nitrilases hidrolizan os nitrilos a ácidos carboxílicos: RCN + 2 H2O → RCO2H + NH3 As nitrilo hidratases son metaloenzimas que hidrolizan os nitrilos a amidas. RCN + H2O → RC(O)NH2 Estes enzimas utilízanse comercialmente para producir acrilamida.

Redución

Hai varios tipos de redución de nitrilos. Os nitrilos son susceptibles á hidroxenación sobre diversos catalizadores metálicos. A reacción pode producir a amina primaria (RCH2NH2) ou a amina terciaria ((RCH2)3N), dependendo das condicións. Nas reducións orgánicas convencionais, os nitrilos redúcense por tratamento con hidruro de litio aluminio á amina. A redución á imina seguida da hidrólise ao aldehido ten lugar na síntese de aldehidos de Stephen, que utiliza cloruro estanoso en ácido.

Alquilación

Os alquil nitrilos son dabondo ácidos como para formar anións nitrilo, que alquilan unha ampla variedade de electrófilos. A pequena demanda estérica da unidade CN combinada coa súa estabilización indutiva son claves para a excepcional nucleofilidade observada. Estas características fan que os nitrilos sexan ideais para crear novos enlaces carbono-carbono en ambientes con máis esixencia estérica para usalos nas sínteses químicas farmacolóxicas. Recentes desenvolvementos mostraron que a natureza do contraión metálico causa unha diferente coordinación tanto ao nitróxeno do nitrilo coma ao carbono nucleofílico adxacente, a miúdo con profundas diferenzas en reactividade e estereoquímica.

Nucleófilos

O centro de carbono dun nitrilo é electrófilo, polo que é susceptible a reaccións de adición nucleofílica: cun composto organozinc na reacción de Blaise, con alcohois na reacción de Pinner, con aminas; por exemplo, a reacción da amina sarcosina con cianamida rende creatina.