Nitriilid

Allikas: Vikipeedia
Nitriili üldine struktuur: funktsionaalrühm on värvitud siniseks.

Nitriilid on −CN 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.

Struktuur ja omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

Esimese nitriili, milleks oli metaanhappe nitriil, sinihape, sünteesis Carl Wilhelm Scheele aastal 1782. [4][5] Bensoehappe nitriili valmistasid esmakordselt Friedrich Wöhler ja Justus von Liebig, kuid madala saagise tõttu ei saanud selle keemilisi ja füüsikalisi omadusi määrata ega struktuuri ennustada. Aastal 1834 sünteesis Théophile-Jules Pelouze etüültsüaniidi, pakkudes, et tegu võib olla propanooli ja sinihappe eetriga. [6] 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 nimi. [7]

Süntees[muuda | redigeeri lähteteksti]

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

Ammoksüdatsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ammoksüdatsiooni korral oksüdeeritakse osaliselt süsivesinik ammoniaagi juuresolekul. Sellist metoodikat kasutatakse praktikas akrüülnitriilide suuremahuliseks tootmiseks:[8]

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 | redigeeri lähteteksti]

Hüdrotsüonatsioon on levinud nitriili toomise 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 | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

Nitriile saab valmistada dehüdraatimise kaudu primaarsetest amiididest. Selleks saab kasutada mitmeid reagente, näiteks kombinatsioon etüüldiklorofosfaadist ja DBU-st, bensonitriili tootmiseks bensamiidist: [9]

Amide dehydration
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. [10]

one-pot synthesis from aldehyde

Sandmeyeri reaktsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Laboratoorselt valmistatakse aromaatseid nitriile tihti aniliinist diasooniumi ühendite abil. Sellist reaktsiooni nimetatakse Sandmeyeri reaktsiooniks ning see vajab üleminekumetalli tsüaniide. [11]

ArN2+ + CuCN → ArCN + N2 + Cu+

Muud meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Tsüaniidide rühma kommertsiaalseks allikaks on dietüülalumiiniumtsüaniid (Et2AlCN), mis saadakse trietüülalumiiniumi reaktsioonil vesiniktsüaniidiga. [12]
Et3Al + HCN → Et2AlCN + Et-H

Saadud ainet kasutatakse nukleofiilse liitujana ketoonidele.[13]

  • Aromaatseid nitriile saab ka triklorometüülarüülketimiinide (RC(CCl3)=NH) aluselisel hüdrolüüsil Houben-Fischeri sünteesi kaudu. [14][15]

Reaktsioonid[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

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. [16]

Redutseerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

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

Alkülatsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

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. [17]

Nukleofiilid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Nitriili süsiniku aatom on elektrofiiliks nukleofiilsel liitumisreaktsioonil:

Muud meetodid ja ühendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Redutseerival detsüanatsioonil asendub nitriili rühm prootoniga. [19] α-Amiino-nitriile saab detsüaneerida liitium alumiinium hüdriidiga.
  • Nitriilid on võimelised iseendaga reageerima nukleofiilse liitumise teel Thorpe’i reaktsioonis aluselises keskkonnas.
  • Metallorgaanikas on võimalik nitriilide lisandumine alküünidele karbotsüanatsiooni teel. [20]
Carbocyanation Nakao 2007

Nitriilide derivaadid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Orgaanilised tsüaanamiidid[muuda | redigeeri lähteteksti]

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

Nitriiloksiidid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Nitriiloksiididel on üldine struktuur R-CNO.

General structure nitrile oxide

Ilmnemine ja kasutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

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. [21] 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. [22]

Kasutamine Eestis[muuda | redigeeri lähteteksti]

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. [23]
  • Tartu Ülikooli Analüütilise keemia õppetoolis uuritakse erinevate 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 dissotsatsiooni ning hoolimata mõningatest puudustest on AN leidnud laialdast kasutust keskkonna happelis-aluste tasakaalude uurimisel nii hapete kui aluste korral. [24]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  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. David T. Mowry (1948). "The Preparation of Nitriles" (– Scholar search). Chemical Reviews 42 (2): 189–283. doi:10.1021/cr60132a001.  [katkine viide]
  6. Gay-Lussac sünteesis puhta, vedela vesiniktsüaniidi: Gay-Lussac (1811) "Note sur l'acide prussique" (Märge preisi happest), Annales de chimie, 44: 128 – 133.
  7. Hermann Fehling (1844). "Ueber die Zersetzung des benzoësauren Ammoniaks durch die Wärme (On the decomposition of ammonium benzoate by heat)". Annalen der Chemie und Pharmacie 49 (1): 91–97. doi:10.1002/jlac.18440490106.  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“.)
  8. Peter Pollak, Gérard Romeder, Ferdinand Hagedorn, Heinz-Peter Gelbke "Nitriles" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH, Weinheim.
  9. 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. 
  10. 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. 
  11. o-Tolunitrile and p-Tolunitrile" H. T. Clarke and R. R. Read Org. Synth. 1941, Coll. Vol. 1, 514.
  12. W. Nagata and M. Yoshioka "Diethylaluminum cyanide"
  13. W. Nagata, M. Yoshioka, and M. Murakami "Preparation of cyano compounds using alkylaluminum intermediates: 1-cyano-6-methoxy-3,4-dihydronaphthalene"
  14. 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
  15. http://www.drugfuture.com/OrganicNameReactions/ONR197.htm Merck & Co., Inc., Whitehouse Station
  16. V. Yu. Kukushkin, A. J. L. Pombeiro, Metal-mediated and metal-catalyzed hydrolysis of nitriles (a review), Inorg. Chim. Acta, 358 (2005) 1–21
  17. Tetrahedron Volume 61, Issue 4, 24 January 2005, lk. 747–789 doi:10.1016/j.tet.2004.11.012
  18. 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. 
  19. 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
  20. 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. 
  21. Natural Product Reports Issue 5, 1999 Nitrile-containing natural products
  22. 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. 
  23. “Kinetic sonication effects in aqueous acetonitrile solutions. Reaction rate levelling by ultrasound „ Sander, Piiskop; Siim, Salmar; Ants, Tuulmets; Aleksei, Kuznetsov; Jaak, Järv artikkel
  24. >“Spektrofotomeetriliste aluselisuse ja happelisuse skaalade laiendamine atsetonitriilis“ Agnes Kütt Väitekiri