Vikipeedia

Nitriilid

Nitriilid on −C≡N funktsionaalrühma sisaldavad orgaanilised ühendid.[1] Kirjanduses kasutatakse nitriiliga vaheldumisi eesliidet tsüano-. Nitriilid leiduvad paljudes kasulikes ühendites nagu näiteks metüültsüanoakrülaat, mis sisaldub superliimis, ja nitriilbutadieenkummi, nitriile sisaldav polümeer, mida kasutatakse lateksivabades laboratoorsetes ja meditsiinilistes kinnastes. Mitut nitriilirühma sisaldavaid orgaanilisi ühendeid nimetatakse tsüanosüsinikeks. Anorgaanilisi −C≡N sidet sisaldavaid rühmi nimetatakse tsüaniidideks, mitte nitriilideks.[2] Kuigi nii tsüaniide kui ka nitriile saab toota tsüaniidsooladest, ei ole nitriilid kaugeltki nii mürgised.

Nitriili üldine struktuur: funktsionaalrühm on värvitud siniseks

Struktuur ja omadused

muuda

Nitriilide N-C-C skelett on lineaarne, viidates süsiniku kolmekordse sideme sp hübridisatsioonile. Kolmiksidemele omaselt on C-N side lühike, kõigest 1,16 Å.[3] Suure dipoolmomendi tõttu on nitriilid polaarsed ja vedelikena on neil suur dielektriline konstant.

Ajalugu

muuda

Esimese nitriili, milleks oli metaanhappe nitriil, sinihape, sünteesis Carl Wilhelm Scheele aastal 1782.[4]<ref_name="Mowry"/> Bensoehappe nitriili valmistasid esimestena Friedrich Wöhler ja Justus von Liebig, kuid väikese saagise tõttu ei saanud selle keemilisi ja füüsikalisi omadusi määrata ega struktuuri ennustada. 1834. aastal sünteesis Théophile-Jules Pelouze etüültsüaniidi, pakkudes, et tegu võib olla propanooli ja sinihappe eetriga.[5] 1844. aastal avastas Hermann Fehling bensonitriili sünteesiraja, kuumutades ammooniumbensoaati. See oli esimene piisavalt suure saagisega meetod, mis võimaldas keemilist analüüsi. Ta määras bensonitriili struktuuri, võrreldes oma tulemusi juba varem teadaoleva vesiniktsüaniidi sünteesiga, kuumutades ammooniummetanoaati. Ta nimetas leitud ühendi nitriiliks, millest sai ka selle ühendi rühma nimetus.<ref_name="Fehling"/> Fehling kirjutab lk 96: "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." (Kuna Laurent nimetas leitud aine "nitrobensoüüliks" ja "asobensoüül" juba eksisteeris, võiks ammoonium bensoaadist pärinevat ainet nimetada "bensonitriiliks".)</ref>

Süntees

muuda

Peamised nitriilide tööstuslikud tootmise meetodid on ammoksüdatsioon ja hüdrotsüanatsioon. Mõlemaid radasid saab pidada rohelisteks, kuna need ei tekita stöhhiomeetrilisi soolakoguseid.

Ammoksüdatsioon

muuda

Ammoksüdatsiooni korral oksüdeeritakse osaliselt süsivesinik ammoniaagi juuresolekul. Sellist metoodikat kasutatakse praktikas akrüülnitriilide suuremahuliseks tootmiseks:[6]

CH3CH=CH2 + 3/2 O2 + NH3 → NCCH=CH2 + 3 H2O

Selle protsessi kõrvalproduktiks on atsetonitriil. Ammoksüdatsiooniga toodetakse enamik bensonitriili, ftalonitriili ning ka isobutüürnitriili derivaatidest. Seda protsessi katalüüsitakse metalli oksiididega ja eeldatakse, et reaktsioon kulgeb mööda aldehüüdi rada.

Hüdrotsüonatsioon

muuda

Hüdrotsüonatsioon on levinud nitriili tootmise meetod sinihappest ja alkeenidest. See süntees vajab homogeenset katalüsaatorit. Hüdrotsüonatsiooni näiteks on heksaandinitriili süntees 1,3-butadieenist:

CH2=CH-CH=CH2 + 2 HCN → NC(CH2)4CN

Tsüanohüdriinid

muuda
 
Tsüanohüdriinide üldine struktuur

Tsüanohüdriinid on nitriilide klass, mis on moodustunud aldehüüdidele metallitsüaniidide lisamise kaudu tsüanohüdriinreaktsiooni käigus. Tänu orgaanilise karbonüüli polaarsusele ei vaja see reaktsioon katalüsaatorit, erinevalt alkeenide hüdrotsüanisatsioonist.

Amiidide ja oksiimide dehüdratsioon

muuda

Nitriile saab valmistada dehüdraatimise kaudu primaarsetest amiididest. Selleks saab kasutada mitmeid reagente, näiteks kombinatsioon etüüldiklorofosfaadist ja DBU-st, bensonitriili tootmiseks bensamiidist:[7]  

Kaks intermediaati sellel pildil on amiidi tautomeeridtautomeer A ja selle fosfaatadukt B.

Sarnase dehüdraatimise teel saab Von Brauni amiiddegradatsiooni reaktsiooni kaudu nitriile sekundaarsetest amiididest. Sellisel juhul lõhutakse üks C-N sidemetest. Nitriile saab ka aldoksiimide (RCH=NOH) dehüdraatimise teel. Sellisel juhul on tüüpilisteks reagentideks trietüülamiin/vääveldioksiid, tseoliidid või sulfurüülkloriid. Seda lähenemist kasutades on võimalik nitriili süntees aldehüüdist ja hüdroksüülamiinist naatriumsulfaadi juuresolekul.[8]  

Sandmeyeri reaktsioon

muuda

Laboratoorselt valmistatakse aromaatseid nitriile tihti aniliinist diasooniumi ühendite abil. Sellist reaktsiooni nimetatakse Sandmeyeri reaktsiooniks ning see vajab üleminekumetalli tsüaniide.[9]

ArN2+ + CuCN → ArCN + N2 + Cu+

Muud meetodid

muuda
  • Tsüaniidide rühma kommertsiaalseks allikaks on dietüülalumiiniumtsüaniid (Et2AlCN), mis saadakse trietüülalumiiniumi reaktsioonil vesiniktsüaniidiga.[10]
Et3Al + HCN → Et2AlCN + Et-H

Saadud ainet kasutatakse nukleofiilse liitujana ketoonidele.[11]

  • Aromaatseid nitriile saab ka triklorometüülarüülketimiinide (RC(CCl3)=NH) aluselisel hüdrolüüsil Houben-Fischeri sünteesi kaudu.[12][13]

Reaktsioonid

muuda

Orgaaniliste ühendite nitriilrühmad võivad läbida mitmeid reaktsioone kindlates tingimustes või kindlate reagentidega. −C≡N rühma on võimalik hüdrolüüsida, redutseerida või eraldada molekulist tsüaniidioonina.

Hüdrolüüs

muuda

Et saada karboksamiide RC(=O)NH2 ja nendest karboksüülhappeid RCOOH, on vaja nitriile RCN hüdrolüüsida. Üldiselt peetakse nitriilide hüdrolüüsi parimaks karboksüülhapete tootmise saamise viisiks, kuigi selle meetodi happe või aluse katalüütilistel reaktsioonidel on omad piirangud ja/või puudused. Peamine puudus on see, et viimane happe või aluse neutralisatsioon viib suure hulga soola tekkimiseni, mis analüüti saastab.

  • Aluse katalüütilised reaktsioonid. Reaktsiooni astmete kineetika uurimine näitas, et hüdroksiidiooniga katalüüsitud atsetonitriili ja etaanamiidi teist järku kiiruskonstandid on 1,6×10−6 ja 7,4×10 −5M−1s−1. Nende numbrite analüüsil selgub, et aluse katalüüsitud reaktsiooni teine aste on kiirem kui esimene ning et reaktsioon kulgeb lõppsaaduseni (karboksüülhappe soolani) ilma amiidi staadiumis peatumiseta. Sellest järeldub, et tavalisel metallivabal aluse katalüüsitud reaktsioonil valmistatud amiidid on saastunud karboksüülhappega ja nende kahe eraldamine on võimalik vaid mõõduka saagisega.
  • Happe katalüütilised reaktsioonid. Tugeva happe lahuses toimuvad reaktsioonid vajavad täpset temperatuuri ja reagentide suhet, et ära hoida polümeeride teket, mida osaliselt soodustab hüdrolüüsi eksotermiline iseloom.[14]

Redutseerimine

muuda

Nitriile redutseeritakse vesinikuga, kasutades katalüüdina niklit. Selle tulemusena moodustub amiin. Edasist redutseerimist imiiniks ja hüdrolüüsi aldehüüdiks nimetatakse Stepheni aldehüüdi reaktsiooniks.

Alkülatsioon

muuda

Alküülnitriilid on piisavalt happelised, et moodustada karbanioone, mis alküleerivad mitmeid elektrofiile. Taolise suure nukleofiilsuse tagab CN rühma väike steeriline takistus kombineeritud induktiivse stabilisatsiooniga. Need omadused muudavad nitriilid sobivaks meditsiinilises keemias uute süsinik-süsinik-sidemete loomiseks steeriliselt takistatud süsteemides. Hiljutised uurimused on näidanud, et erinevad metallist vastasioonid põhjustavad erinevat koordinatsiooni kas siis nitriili lämmastikule või vastasolevale nukleofiilsele süsinikule, omandades märgatavalt erinevat reaktsioonivõimelisust ja stereokeemiat.[15]

Nukleofiilid

muuda

Nitriili süsiniku aatom on elektrofiiliks nukleofiilsel liitumisreaktsioonil:

Muud meetodid ja ühendid

muuda
  • Redutseerival detsüanatsioonil asendub nitriili rühm prootoniga.[17] α-aminonitriile saab detsüaneerida liitium-alumiiniumhüdriidiga.
  • Nitriilid on võimelised iseendaga reageerima nukleofiilse liitumise teel Thorpe’i reaktsioonis aluselises keskkonnas.
  • Metallorgaanikas on võimalik nitriilide lisandumine alküünidele karbotsüanatsiooni teel.[18]
 

Nitriilide derivaadid

muuda

Orgaanilised tsüaanamiidid

muuda

Tsüaanamiidid on N-CN ühendid üldise struktuuriga R1R2N-CN.

Nitriiloksiidid

muuda
 

Nitriiloksiididel on üldine struktuur R-CNO.

Leidumine ja kasutamine

muuda

Nitriile leidub looduslikult nii mitmetes taimsetes kui ka loomsetes organismides. Üle 120 erineva looduses esineva nitriili on suudetud eraldada. Nitriile on võimalik leida puuviljade kividest, eeskätt mandlitest aga ka ristõieliste sugukonda (näiteks kapsas, lillkapsas, rooskapsas) kuuluvate viljade küpsetamisel, milles tekivad nitriilid hüdrolüüsi teel. Mandlite ja mõnede puuviljade kivide seedimisel tekkiv tsüanohüdriin mandelonitriil vabastab vesiniktsüaniidi ja on tsüanogeensete glükosiidide mürgisuse põhjuseks.[19] Tänapäeval on turul üle kolmekümne nitriile sisaldava ravimi ning üle 20 nitriile sisaldava ravimi on arenduses. Nitriilrühm on küllaltki robustne ning üldiselt läbib ta keha muutumatult. Ravimid, milles nitriilrühm esineb on vägagi erinevad, alustades vildagliptiinist, mis on antidiabeetiline ravim, kuni anastrasoolini, mida kasutatakse rinnavähi ravimisel. Mitmel juhul matkib nitriilrühm ensüümides esinevate substraatide tööülesandeid. Samas kasutatakse seda ka ravimi vees lahustuvuse suurendamiseks ja vähendamaks vastuvõtlikkust maksa oksüdatiivsele lagundamisele.[20]

Kasutamine Eestis

muuda

Uurimustes kasutatakse eeskätt atsetonitriili tänu tema heale polaarsusele, seejuures vesiniksidet moodustamata.

  • 29. augustil 2013 kaitsti Tartu ülikoolis doktoritöö ultraheliefektide uurimisest vee ja atsetonitriili lahuses, tõestamaks eksperimentaalselt ultraheliefektide esinemist ilma kavitatsiooni nähtuseta.[21]
  • Tartu Ülikooli Analüütilise keemia õppetoolis uuritakse eri ainete happelisi ja aluselisi omadusi erinevates keskkondades, sealhulgas atsetonitriilis. Väga nõrgalt avaldunud happelis-aluselised omadused (autoprotolüüsikonstant pKauto≥33,3) teevad atsetonitriilist hea diferentseeriva keskkonna ja suur dielektriline konstant soodustab elektrolüütide dissotsiatsiooni ning hoolimata mõningatest puudustest on AN leidnud laialdast kasutust keskkonna happelis-aluste tasakaalude uurimisel nii hapete kui aluste korral.[22]

Viited

muuda
  1. ↑ IUPAC Gold Book nitriles
  2. ↑ NCBI-MeSH Nitriles
  3. ↑ Karakida, Ken-ichi, Tsutomu Fukuyama, and Kozo Kuchitsu. "Molecular Structures of Hydrogen Cyanide and Acetonitrile as Studied by Gas Electron Diffraction" Bulletin of the Chemical Society of Japan 1974, vol. 47, pp. 299–304.
  4. ↑ See: * Carl W. Scheele (1782) "Försök, beträffande det färgande ämnet uti Berlinerblå" (Eksperiment Berliini sinist värvi ühendiga), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens handlingar (Royal Swedish Academy of Science's Proceedings), 3: 264–275 (in Swedish). * Taastrükitud ladina keelde: "De materia tingente caerulei berolinensis" in: Carl Wilhelm Scheele with Ernst Benjamin Gottlieb Hebenstreit (ed.) and Gottfried Heinrich Schäfer (trans.), Opuscula Chemica et Physica (Leipzig ("Lipsiae"), (Germany): Johann Godfried Müller, 1789), vol. 2, lk 148–174.
  5. ↑ Gay-Lussac sünteesis puhta, vedela vesiniktsüaniidi: Gay-Lussac (1811) "Note sur l'acide prussique" (Märge preisi happest), Annales de chimie, 44: 128 – 133.
  6. ↑ Peter Pollak, Gérard Romeder, Ferdinand Hagedorn, Heinz-Peter Gelbke "Nitriles" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH, Weinheim.
  7. ↑ Chun-Wei Kuo, Jia-Liang Zhu, Jen-Dar Wu, Cheng-Ming Chu, Ching-Fa Yao and Kak-Shan Shia (2007). "A convenient new procedure for converting primary amides into nitriles". Chem. Commun. 2007 (3): 301–303. DOI:10.1039/b614061k. PMID 17299646.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  8. ↑ Sharwan K, Dewan, Ravinder Singh, and Anil Kumar (2006). "One pot synthesis of nitriles from aldehydes and hydroxylamine hydrochloride using sodium sulfate (anhyd) and sodium bicarbonate in dry media under microwave irradiation" (Avatud juurdepääs). Arkivoc: (ii) 41–44.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  9. ↑ o-Tolunitrile and p-Tolunitrile" H. T. Clarke and R. R. Read Org. Synth. 1941, Coll. Vol. 1, 514.
  10. ↑ W. Nagata and M. Yoshioka "Diethylaluminum cyanide"
  11. ↑ W. Nagata, M. Yoshioka, and M. Murakami "Preparation of cyano compounds using alkylaluminum intermediates: 1-cyano-6-methoxy-3,4-dihydronaphthalene"
  12. ↑ 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. artikkel
  13. ↑ http://www.drugfuture.com/OrganicNameReactions/ONR197.htm Merck & Co., Inc., Whitehouse Station
  14. ↑ V. Yu. Kukushkin, A. J. L. Pombeiro, Metal-mediated and metal-catalyzed hydrolysis of nitriles (a review), Inorg. Chim. Acta, 358 (2005) 1–21
  15. ↑ Tetrahedron Volume 61, Issue 4, 24 January 2005, lk 747–789 doi:10.1016/j.tet.2004.11.012
  16. ↑ Smith, Andri L.; Tan, Paula (2006). "Creatine Synthesis: An Undergraduate Organic Chemistry Laboratory Experiment". J. Chem. Educ. 83 (11): 1654. Bibcode:2006JChEd..83.1654S. DOI:10.1021/ed083p1654. Originaali arhiivikoopia seisuga 4. juuli 2008. Vaadatud 5. novembril 2013.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  17. ↑ The reductive decyanation reaction: chemical methods and synthetic applications Jean-Marc Mattalia, Caroline Marchi-Delapierre, Hassan Hazimeh, and Michel Chanon Arkivoc (AL-1755FR) pp 90–118 2006 Artikkel
  18. ↑ Yoshiaki Nakao, Akira Yada, Shiro Ebata, and Tamejiro Hiyama (2007). "A Dramatic Effect of Lewis-Acid Catalysts on Nickel-Catalyzed Carbocyanation of Alkynes". J. Am. Chem. Soc. (Communication). 129 (9): 2428–2429. DOI:10.1021/ja067364x. PMID 17295484. {{cite journal}}: |format= nõuab parameetrit |url= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  19. ↑ Natural Product Reports Issue 5, 1999 Nitrile-containing natural products
  20. ↑ Fleming, Fraser F.; Yao, Lihua; Ravikumar, P. C.; Funk, Lee; Shook, Brian C. (november 2010). "Nitrile-containing pharmaceuticals: efficacious roles of the nitrile pharmacophore". J Med Chem. 53 (22): 7902–17. DOI:10.1021/jm100762r. PMC 2988972. PMID 20804202.
  21. ↑ "Kinetic sonication effects in aqueous acetonitrile solutions. Reaction rate levelling by ultrasound " Sander, Piiskop; Siim, Salmar; Ants, Tuulmets; Aleksei, Kuznetsov; Jaak, Järv artikkel
  22. ↑ >"Spektrofotomeetriliste aluselisuse ja happelisuse skaalade laiendamine atsetonitriilis" Agnes Kütt Väitekiri
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Nitriilid&oldid=6304202"