Нитрил
Нитри́лы, органические соединения, содержащие одну или несколько цианогрупп —C≡N, связанных с органическим радикалом. Изомерны изонитрилам .
Содержание
Общие сведения
Нитрилы были впервые получены Ж. Б. А. Дюма в 1847 году [1] .
Атомы С и N в цианогруппе имеют sp-гибридизацию; длины связей, например для СН3CN, 0,1468 нм (С—С) и 0,116 нм (C≡N); средняя энергия связи C≡N 672 кДж/моль. Обладает отрицательным индукционным и мезомерным эффектами. Названия нитрил обычно производят от названия соответствующей карбоновой кислоты, например СН3CN — ацетонитрил (нитрил уксусной кислоты), NC(CH2)4CN — адиподинитрил. Часто нитрилы рассматривают как производные синильной кислоты цианиды (например, CH2=CH-CH2-CN — аллилцианид) или цианозамещенные углеводороды (например, HC(CN)3 — трицианометан).
Физические свойства
Нитрилы — бесцветные жидкости или твердые вещества. Они плохо растворяются в воде, за исключением низших алифатических нитрилов, все хорошо растворяются в наиболее распространенных органических растворителях. В ИК спектрах нитрилов и спектрах комбинационного рассеяния присутствует характеристическая полоса валентных колебаний нитрильной группы, расположенная в диапазоне от 2220 до 2270 см -1 . Величина донорного числа DN для ацетонитрила 14.1 [2] .
Физические свойства некоторых важнейших нитрилов Соединение Мол.вес Тпл., °С Ткип., °С d 20 4 n 20 D Акрилонитрил CH2=CHCN 53,06 −83,55 77,3 0,8064 1,3914 Метакрилонитрил CH2=C(CH3)CN −35,8 90,3 0,8001 1,4003 Фенилацетонитрил C6H5CH2CN −23,8 107 (при 12 мм рт. ст.) 1,018 1,5242 Бензонитрил C6H5CN −12,8 191,1 1,0051 1,5280 Ацетилендинитрил C4N2 76,057 20,5—21 76,5—77 1,017 Пропиолонитрил С3HN +5 42,5 0,8159 1,3870 Ацетонитрил CH3CN 41,05 −44,9 81,6 0,7828 1,3442
Химические свойства
Электронное строение нитрилов может быть представлено с помощью резонансных структур:
В соответствии с этим нитрилы вступают в реакции с электрофилами (по атому N) и нуклеофилами (по атому С). Они также образуют комплексы с солями металлов (например, CuCl, NiCl2, SbCl5, и др.) с участием неподеленной пары электронов атома N; также известны комплексы, в которых нитрилы координированы к металлоцентру так называемым "боковым" (side-on) образом за счет пи-системы данной функциональной группировки. Благодаря ненасыщенности и легкой поляризуемости цианогруппа активирует связанный с ней органический радикал, например облегчает диссоциацию связи С—Н у α-углеродного атома, а благодаря незначительному стерическому эффекту обеспечивает легкость реакций присоединения по связи C≡N.
В апротонной среде при низкой температуре нитрилы реагируют с галогеноводородами, образуя нитрилиевые соли (формула I) и соли имидоилгалогенидов (II):
1. Образование карбоновых кислот из нитрилов.
Через образование нитрилиевых солей проходит гидратация нитрилов в кислой среде до амидов и далее гидролиз до карбоновых кислот:
2. Получение амидов:
Амиды образуются также при гидратации нитрилов в щелочной среде (последующий гидролиз амидов приводит к солям соответствующих карбоновых кислот) и при действии на нитрилы Н2О2 (Радзишевского реакция):
3. Реакции с олефинами, реакция Дильса-Альдера (реакция циклоприсоединения).
Нитрилы реагируют с олефинами и их функциональными, производными (ненасыщенные кислоты, их эфиры и др.) в присутствии кислотного катализатора, образуя замещенные амиды (Риттера реакция); вступают в реакцию Дильса–Альдера, например:
реакция Дильса–Альдера
При использовании в качестве диенофила перфторалкилцианидов RFCN или дициана реакция циклоприсоединения идет без катализатора с количественным выходом.
4. Реакция восстановления нитрилов.
Одна из важнейших реакций нитрилов — восстановление, протекающее ступенчато через промежуточное образование альдиминов:
[H] — атомарный водород в качестве востановителя в момент выделения
Для восстановления нитрилов до аминов наиболее часто применяют каталитическое гидрирование на Pt или Pd при давлении 0,1—0,3 МПа и 20—50 °С или на Ni или Со при 10—25 МПа и 100—200 °C. Для подавления образования вторичных и третичных аминов добавляют NH3. В качестве восстановителей используют также металлический Na в этаноле, комплексные гидриды металлов и бора, например LiAlH4, NaBH4 и др. При восстановлении нитрилов SnCl2 в присутствии HCl образуются соли альдиминов, гидролиз которых приводит к альдегидам (Стефена реакция):
5. Реакции по органическому радикалу.
К важнейшим реакциям нитрилов по органическому радикалу относят: взаимодействие с карбонильными соединениями с образованием цианоолефинов (Кнёвенагеля реакция), присоединение различных нуклеофилов к α,β-ненасыщенным нитрилам, например к акрилонитрилу, и полимеризацию (получение полиакрилонитрила):
Способы получения
1. Дегидратация амидов RCONH2, аммониевых солей карбоновых кислот RCOONH2 или альдоксимов RCH=NOH (перегруппировка Бекмана) при нагреве с Р2O5, PCl5, POCl3 или SOCl2. В промышленности реакцию обычно проводят в присутвии катализаторов дегидратации (Н3PO4 и ее соли) в атмосфере NH3, например:
2. Алкилирование синильной кислоты или её солей:
При алкилировании алкил- и аралкилгалогенидами широко применяют межфазный катализ, например при промышленном получении бензилцианида. Ароматические нитрилы получают взаимодействием арилгалогенидов с CuCN, сплавлением солей сульфокислот с NaCN или разложением диазосоединений в присутствии CuCN, например:
Ph-Cl + CuCN → Ph-CN + CuCl; Ar-SO3Na + NaCN → Ar-CN + Na2SO3, где Ph- фенил радикал или C6H6- Ar-N2 + Cl - +CuCN=CuCl+N2+Ar-CN
Взаимодействие ароматических углеводородов с хлорцианом в присутствиии хлорида алюминия:
3. Присоединение HCN по кратным связям (используют для получения промышленно важных нитрилов), например:
Циангидрины получают присоединением HCN к карбонильным соединениям или эпоксидам в присутствии оснований.
4. Окисление углеводородов, спиртов и альдегидов. Совместное окисление углеводородов и NH3 кислородом воздуха при 400—500°С в присутствии молибдатов и фосфомолибдатов Bi, молибдатов и вольфраматов Те и Се и других катализаторов (окислительный аммонолиз): Для окисления могут быть использованы спирты в альдегиды, например:
Для окисления могут быть использованы спирты и альдегиды, например:
Нитрилы образуются также при действии окислителей на амины:
5. Теломеризация олефинов с галогенцианидами или реакций последних с магнийорганическими соединениями:
Анализ, применение и токсическое действие
Для анализа нитрилов используют физико-химические методы, восстановление на капельном ртутном электроде, позволяющее определять их в концентрации до 10 -3 —10 -5 %, а также химические методы, например щелочной гидролиз нитрилов с последующим, количественным определением NH3.
Применяют нитрилы в качестве растворителей, инициаторов радикально-цепной полимеризации и теломеризации, сырья в производстве волокнообразующих полимеров и смол, пластификаторов, лекарственных веществ и пестицидов. Ацетонитрил (нитрил уксусной кислоты) предложен в качестве ракетного топлива (темп.сгор. 4400 °С, уд.импульс 304 сек). Нитрил ацетилендикарбоновой кислоты (ацетилендинитрил) предложен в качестве добавки к ракетному топливу (темп.сгор. около 5000 °С в кислороде, уд. импульс около 313 сек), нитрил пропиоловой кислоты (пропиолонитрил) предложен в качестве топлива дающего большую температуру сгорания(в кислороде свыше 5000 °С).
Нитрилы ядовиты, и при работе требуют мер предосторожности (средства индивидуальной защиты, приточно-вытяжная вентиляция). Нитрилы или их отходы уничтожают щелочным гидролизом или действием окислителей (растворы Н2О2 или KMnO4). Механизм токсического действия нитрилов связан с их способностью нарушать функцию фермента цитохромоксидазы, подавляя процесс переноса кислорода из крови к клеткам организма. Отравление может произойти при вдыхании паров нитрилов, при попадания их в желудочно-кишечный тракт или через кожу. Противоядия — амилнитрит, Na2S2O3, глюкоза (как и при отравлении цианидами).