En química orgánica , un nitrilo es cualquier compuesto orgánico que tiene un grupo funcional − C ≡ N. El nombre del compuesto está compuesto por una base, que incluye el carbono del −C≡N , con el sufijo "nitrilo", por lo que por ejemplo CH3CH2C≡N se llama " propanonitrilo " (o propanonitrilo ). [1] El prefijo ciano - se utiliza indistintamente con el término nitrilo en la literatura industrial. Los nitrilos se encuentran en muchos compuestos útiles, incluido el cianoacrilato de metilo , utilizado en superpegamento , y el caucho de nitrilo , un polímero que contiene nitrilo utilizado en guantes médicos y de laboratorio sin látex . El caucho de nitrilo también se usa ampliamente como sellos para automóviles y de otro tipo, ya que es resistente a combustibles y aceites. Los compuestos orgánicos que contienen múltiples grupos nitrilo se conocen como cianocarbonos .
Los compuestos inorgánicos que contienen el grupo −C≡N no se llaman nitrilos, sino cianuros . [2] Aunque tanto los nitrilos como los cianuros pueden derivarse de sales de cianuro, la mayoría de los nitrilos no son tan tóxicos.
La geometría N-C-C es lineal en los nitrilos, lo que refleja la hibridación sp del carbono con triple enlace. La distancia C-N es corta, de 1,16 Å , lo que corresponde a un triple enlace . [3] Los nitrilos son polares, como lo indican los altos momentos dipolares. Como líquidos, tienen permitividades relativas altas , a menudo del orden de los 30.
El primer compuesto de la fila homóloga de los nitrilos, el nitrilo del ácido fórmico , el cianuro de hidrógeno , fue sintetizado por primera vez por CW Scheele en 1782. [4] [5] En 1811, JL Gay-Lussac pudo preparar el ácido puro, muy tóxico y volátil. . [6] Alrededor de 1832 , Friedrich Wöhler y Justus von Liebig prepararon benzonitrilo , el nitrilo del ácido benzoico , pero debido al rendimiento mínimo de la síntesis no se determinaron propiedades físicas ni químicas ni se sugirió una estructura. En 1834 Théophile-Jules Pelouze sintetizó propionitrilo , sugiriendo que era un éter de alcohol propiónico y ácido cianhídrico. [7] La síntesis de benzonitrilo por Hermann Fehling en 1844 calentando benzoato de amonio fue el primer método que produjo suficiente sustancia para la investigación química. Fehling determinó la estructura comparando sus resultados con la ya conocida síntesis de cianuro de hidrógeno calentando formiato de amonio . Acuñó el nombre "nitrilo" para la sustancia recién descubierta, que se convirtió en el nombre de este grupo de compuestos. [8]
Industrialmente, los principales métodos para producir nitrilos son la amoxidación y la hidrocianación . Ambas rutas son verdes en el sentido de que no generan cantidades estequiométricas de sales.
En la amoxidación , un hidrocarburo se oxida parcialmente en presencia de amoníaco . Esta conversión se practica a gran escala para el acrilonitrilo : [9]
En la producción de acrilonitrilo, un subproducto es el acetonitrilo . A escala industrial, se preparan mediante amoxidación varios derivados del benzonitrilo , el ftalonitrilo y el isobutironitrilo. El proceso está catalizado por óxidos metálicos y se supone que se desarrolla a través de la imina.
La hidrocianación es un método industrial para producir nitrilos a partir de cianuro de hidrógeno y alquenos. El proceso requiere catalizadores homogéneos . Un ejemplo de hidrocianación es la producción de adiponitrilo , un precursor del nailon-6,6 a partir del 1,3-butadieno :
Dos reacciones de metátesis de sales son populares para reacciones a escala de laboratorio. En la síntesis de nitrilo de Kolbe , los haluros de alquilo sufren sustitución alifática nucleofílica con cianuros de metales alcalinos . Los arilnitrilos se preparan en la síntesis de Rosenmund-von Braun .
Las cianhidrinas son una clase especial de nitrilos. Clásicamente resultan de la adición de cianuros de metales alcalinos a aldehídos en la reacción de cianhidrina . Debido a la polaridad del carbonilo orgánico, esta reacción no requiere catalizador, a diferencia de la hidrocianación de alquenos. Las O-sililcianhidrinas se generan mediante la adición de cianuro de trimetilsililo en presencia de un catalizador (sililcianación). Las cianhidrinas también se preparan mediante reacciones de transcianhidrina comenzando, por ejemplo, con acetonacianhidrina como fuente de HCN. [10]
Los nitrilos se pueden preparar mediante la deshidratación de amidas primarias . Los reactivos comunes para esto incluyen pentóxido de fósforo ( P 2 O 5 ) [11] y cloruro de tionilo ( SOCl 2 ). [12] En una deshidratación relacionada, las amidas secundarias dan nitrilos mediante la degradación de la amida de von Braun . En este caso, se rompe un enlace CN.
La conversión de aldehídos en nitrilos mediante aldoximas es una ruta popular en el laboratorio. Los aldehídos reaccionan fácilmente con las sales de hidroxilamina , a veces a temperaturas tan bajas como la ambiental, para dar aldoximas. Estos se pueden deshidratar a nitrilos mediante simple calentamiento, [13] aunque una amplia gama de reactivos pueden ayudar con esto, incluidos trietilamina / dióxido de azufre , zeolitas o cloruro de sulfurilo . El ácido hidroxilamina-O-sulfónico relacionado reacciona de manera similar. [14]
En casos especializados se puede utilizar la reacción de Van Leusen . También son eficaces los biocatalizadores como la aldoxima deshidratasa alifática .
Los nitrilos aromáticos se preparan a menudo en el laboratorio a partir de la anilina mediante compuestos de diazonio . Esta es la reacción de Sandmeyer . Requiere cianuros de metales de transición. [15]
Los grupos nitrilo en compuestos orgánicos pueden sufrir una variedad de reacciones dependiendo de los reactivos o las condiciones. Un grupo nitrilo puede hidrolizarse, reducirse o expulsarse de una molécula como ion cianuro.
La hidrólisis de los nitrilos RCN se desarrolla en distintas etapas bajo tratamiento ácido o básico para dar primero las carboxamidas RC(=O)NH 2 y luego los ácidos carboxílicos RCOOH. La hidrólisis de nitrilos a ácidos carboxílicos es eficaz. En ácido o base, las ecuaciones balanceadas son las siguientes:
Estrictamente hablando, estas reacciones están mediadas (en lugar de catalizadas ) por un ácido o una base, ya que se consume un equivalente del ácido o de la base para formar la sal de amonio o carboxilato, respectivamente.
Los estudios cinéticos muestran que la constante de velocidad de segundo orden para la hidrólisis catalizada por iones hidróxido de acetonitrilo a acetamida es 1,6 × 10−6 M −1 s −1 , que es más lenta que la hidrólisis de la amida al carboxilato (7,4 × 10−5 M −1 s −1 ). Por tanto, la ruta de hidrólisis básica producirá el carboxilato (o la amida contaminada con el carboxilato). Por otro lado, las reacciones catalizadas por ácidos requieren un control cuidadoso de la temperatura y de la proporción de reactivos para evitar la formación de polímeros, lo que se ve favorecido por el carácter exotérmico de la hidrólisis. [26] El procedimiento clásico para convertir un nitrilo en la amida primaria correspondiente requiere agregar el nitrilo a ácido sulfúrico concentrado en frío . [27] La conversión adicional al ácido carboxílico se ve perjudicada por la baja temperatura y la baja concentración de agua.
Dos familias de enzimas catalizan la hidrólisis de los nitrilos. Las nitrilasas hidrolizan los nitrilos a ácidos carboxílicos:
Las nitrilo hidratasas son metaloenzimas que hidrolizan los nitrilos a amidas.
Estas enzimas se utilizan comercialmente para producir acrilamida .
La "hidratación anhidra" de nitrilos a amidas se ha demostrado utilizando una oxima como fuente de agua: [28]
Los nitrilos son susceptibles a la hidrogenación sobre diversos catalizadores metálicos. La reacción puede producir la amina primaria ( RCH 2 NH 2 ) o la amina terciaria ( (RCH 2 ) 3 N ), dependiendo de las condiciones. [29] En las reducciones orgánicas convencionales , el nitrilo se reduce mediante tratamiento con hidruro de litio y aluminio a la amina. La reducción a imina seguida de hidrólisis al aldehído tiene lugar en la síntesis de aldehído de Stephen , que utiliza cloruro estannoso en ácido.
Los alquilnitrilos son lo suficientemente ácidos como para sufrir la desprotonación del enlace CH adyacente al grupo CN. [30] [31] Se requieren bases fuertes, como diisopropilamida de litio y butil-litio . El producto se conoce como anión nitrilo . Estos carbaniones alquilan una amplia variedad de electrófilos. La clave de la nucleofilicidad excepcional es la pequeña demanda estérica de la unidad CN combinada con su estabilización inductiva. Estas características hacen que los nitrilos sean ideales para crear nuevos enlaces carbono-carbono en entornos estéricamente exigentes.
El centro de carbono de un nitrilo es electrófilo , de ahí que sea susceptible a reacciones de adición nucleófilas :
Los nitrilos son precursores de los complejos de nitrilo de metales de transición , que son reactivos y catalizadores. Los ejemplos incluyen hexafluorofosfato de tetrakis(acetonitrilo)cobre(I) ( [Cu(MeCN) 4 ] + ) y dicloruro de bis(benzonitrilo)paladio ( PdCl2 ( PhCN) 2 ). [37]
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Las cianamidas son compuestos de N -ciano con estructura general R 1 R 2 N − C≡N y relacionados con la cianamida original . [38]
Los óxidos de nitrilo tienen la estructura general R−CNO o R−CN + O − y se utilizan en cicloadiciones 1,3-dipolares . [39] : 1187–1192 Se someten a un reordenamiento diotrópico tipo 1 a isocianatos . [39] : 1700 Los óxidos de nitrilo pueden sintetizarse por deshidrogenación de oximas o por deshidratación de nitroalcanos . [40] : 934–936 Pueden usarse para sintetizar isoxazoles . [40] : 1201-1202
Los nitrilos se encuentran naturalmente en un conjunto diverso de fuentes vegetales y animales. Se han aislado más de 120 nitrilos naturales de fuentes terrestres y marinas. Los nitrilos se encuentran comúnmente en los huesos de las frutas, especialmente las almendras, y durante la cocción de los cultivos de Brassica (como el repollo, las coles de Bruselas y la coliflor), que liberan nitrilos mediante hidrólisis. El mandelonitrilo , una cianhidrina producida al ingerir almendras o algunos huesos de frutas, libera cianuro de hidrógeno y es responsable de la toxicidad de los glucósidos cianogénicos. [41]
Actualmente se comercializan más de 30 productos farmacéuticos que contienen nitrilo para una amplia variedad de indicaciones medicinales, con más de 20 productos adicionales que contienen nitrilo están en desarrollo clínico. Los tipos de fármacos que contienen nitrilos son diversos, desde la vildagliptina , un fármaco antidiabético, hasta el anastrozol , que es el estándar de oro en el tratamiento del cáncer de mama. En muchos casos, el nitrilo imita la funcionalidad presente en sustratos para enzimas, mientras que en otros casos el nitrilo aumenta la solubilidad en agua o disminuye la susceptibilidad al metabolismo oxidativo en el hígado. [42] El grupo funcional nitrilo se encuentra en varios fármacos.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ); Volumen Colectivo , vol. 6, pág. 307