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, CH 3 CH 2 C≡N se llama " propionitrilo " (o propanonitrilo). [1] El prefijo ciano - se usa indistintamente con el término nitrilo en la literatura industrial. Los nitrilos se encuentran en muchos compuestos útiles, incluido el cianoacrilato de metilo , utilizado en el pegamento instantáneo , 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 automotrices y de otro tipo, ya que es resistente a los 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 denominan 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, 1,16 Å , lo que es coherente con un triple enlace . [3] Los nitrilos son polares, como lo indican los altos momentos dipolares. Como líquidos, tienen altas permitividades relativas , a menudo en los 30 s.
El primer compuesto de la fila homóloga de 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 el benzonitrilo , el nitrilo del ácido benzoico , pero debido al rendimiento mínimo de la síntesis, no se determinaron las propiedades físicas ni químicas ni se sugirió una estructura. En 1834, Théophile-Jules Pelouze sintetizó el 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 síntesis ya conocida de cianuro de hidrógeno mediante el calentamiento de formiato de amonio . Acuñó el nombre de "nitrilo" para la sustancia recién descubierta, que se convirtió en el nombre de este grupo de compuestos. [8]
A nivel industrial, los principales métodos para producir nitrilos son la amoxidación y la hidrocianación . Ambas vías son ecológicas 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 varios derivados del benzonitrilo , el ftalonitrilo y el isobutironitrilo mediante amoxidación. El proceso está catalizado por óxidos metálicos y se supone que se lleva a cabo 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 las reacciones a escala de laboratorio. En la síntesis de nitrilos de Kolbe , los haluros de alquilo sufren una sustitución alifática nucleofílica con cianuros de metales alcalinos . Los arilnitrilos se preparan en la síntesis de Rosenmund-von Braun .
En general, los cianuros metálicos se combinan con haluros de alquilo para dar una mezcla de nitrilo e isonitrilo , aunque la elección adecuada del contraión y la temperatura pueden minimizar este último. Un sulfato de alquilo evita el problema por completo, en particular en condiciones no acuosas (la síntesis de Pelouze). [5]
Las cianhidrinas son una clase especial de nitrilos. Clásicamente resultan de la adición de cianuros de metales alcalinos a aldehídos en la reacción de la cianhidrina . Debido a la polaridad del carbonilo orgánico, esta reacción no requiere catalizador, a diferencia de la hidrocianación de alquenos. Las cianhidrinas de O-sililo se generan mediante la adición de cianuro de trimetilsililo en presencia de un catalizador (cianación de sililo). Las cianhidrinas también se preparan mediante reacciones de transcianhidrina comenzando, por ejemplo, con cianhidrina de acetona 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 amida de von Braun . En este caso, se escinde un enlace CN.
Existen numerosos métodos tradicionales para la preparación de nitrilo mediante oxidación de aminas . [13] Además, en las últimas décadas se han desarrollado varios métodos selectivos para procesos electroquímicos . [14]
La conversión de aldehídos en nitrilos a través de aldoximas es una ruta de laboratorio popular. Los aldehídos reaccionan fácilmente con sales de hidroxilamina , a veces a temperaturas tan bajas como la ambiente, para dar aldoximas. Estas pueden deshidratarse a nitrilos mediante un simple calentamiento, [15] aunque una amplia gama de reactivos puede ayudar con esto, incluyendo trietilamina / dióxido de azufre , zeolitas o cloruro de sulfurilo . El ácido hidroxilamina-O-sulfónico relacionado reacciona de manera similar. [16]
En casos especiales 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 anilina mediante compuestos de diazonio . Esta es la reacción de Sandmeyer . Requiere cianuros de metales de transición. [17]
Los grupos nitrilo en compuestos orgánicos pueden experimentar diversas reacciones según los reactivos o las condiciones. Un grupo nitrilo puede hidrolizarse, reducirse o expulsarse de una molécula como un ion cianuro.
La hidrólisis de los nitrilos RCN se lleva a cabo en etapas distintas bajo tratamiento ácido o básico para dar primero carboxamidas RC(O)NH 2 y luego ácidos carboxílicos RC(O)OH . La hidrólisis de los nitrilos a ácidos carboxílicos es eficiente. En ácido o base, las ecuaciones balanceadas son las siguientes:
Estrictamente hablando, estas reacciones están mediadas (en lugar de catalizadas ) por ácido o base, ya que se consume un equivalente del ácido o 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 lento que la hidrólisis de la amida al carboxilato (7,4 × 10−5 M −1 s −1 ). Por lo tanto, la ruta de hidrólisis básica proporcionará el carboxilato (o la amida contaminada con el carboxilato). Por otro lado, las reacciones catalizadas por ácido requieren un control cuidadoso de la temperatura y de la proporción de reactivos para evitar la formación de polímeros, que se promueve por el carácter exotérmico de la hidrólisis. [28] El procedimiento clásico para convertir un nitrilo en la amida primaria correspondiente requiere agregar el nitrilo a ácido sulfúrico concentrado frío . [29] La conversión posterior al ácido carboxílico se ve desfavorecida 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 nitrilos en amidas.
Estas enzimas se utilizan comercialmente para producir acrilamida .
Se ha demostrado la "hidratación anhidra" de nitrilos a amidas utilizando una oxima como fuente de agua: [30]
Los nitrilos son susceptibles a la hidrogenación sobre diversos catalizadores metálicos. La reacción puede producir la amina primaria ( RCH2NH2 ) o la amina terciaria ( ( RCH2 ) 3N ) , dependiendo de las condiciones. [ 31] En las reducciones orgánicas convencionales , el nitrilo se reduce mediante tratamiento con hidruro de litio y aluminio a la amina. La reducción a la imina seguida de hidrólisis al aldehído tiene lugar en la síntesis de aldehído de Stephen , que utiliza cloruro estannoso en ácido.
Los nitrilos de alquilo son suficientemente ácidos para sufrir la desprotonación del enlace CH adyacente al grupo C≡N . [32] [33] Se requieren bases fuertes, como la diisopropilamida de litio y el butil litio . El producto se conoce como anión nitrilo . Estos carbaniones alquilan una amplia variedad de electrófilos. La clave de la nucleofilia excepcional es la pequeña demanda estérica de la unidad C≡N 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 , por lo tanto es susceptible a reacciones de adición nucleofílica :
Los nitrilos son precursores de los complejos de nitrilo de metales de transición , que son reactivos y catalizadores. Algunos ejemplos incluyen tetrakis(acetonitrilo)cobre(I) hexafluorofosfato ( [Cu(MeCN) 4 ] + ) y dicloruro de bis(benzonitrilo)paladio ( PdCl 2 (PhCN) 2 ). [40]
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Las cianamidas son compuestos N -ciano con estructura general R 1 R 2 N−C≡N y relacionados con la cianamida original . [41]
Los óxidos de nitrilo tienen la fórmula química RCNO . Su estructura general es R−C≡N + −O − . La R representa cualquier grupo (normalmente organilo , p. ej., óxido de acetonitrilo CH 3 −C≡N + −O − , hidrógeno en el caso del ácido fulmínico H−C≡N + −O − , o halógeno (p. ej., fulminato de cloro Cl−C≡N + −O − ). [42] : 1187–1192
Los óxidos de nitrilo son bastante diferentes de los nitrilos: son 1,3-dipolos altamente reactivos y no se pueden sintetizar a partir de la oxidación directa de nitrilos. [43] En cambio, se pueden sintetizar por deshidrogenación de oximas o por deshidratación de nitroalcanos ; [44] : 934–936 Se utilizan en cicloadiciones 1,3-dipolares , [42] : 1187–1192 como en isoxazoles . [44] : 1201–1202 Experimentan una reorganización diotrópica de tipo 1 a isocianatos . [42] : 1700
Los sulfuros de nitrilo más pesados son extremadamente reactivos y raros, pero se forman temporalmente durante la termólisis de las oxatiazolonas . Reaccionan de manera similar a los óxidos de nitrilo. [45]
Los nitrilos se encuentran de forma natural en una gran variedad de fuentes vegetales y animales. Se han aislado más de 120 nitrilos de origen natural de fuentes terrestres y marinas. Los nitrilos se encuentran comúnmente en los huesos de frutas, especialmente las almendras, y durante la cocción de cultivos de Brassica (como el repollo, las coles de Bruselas y la coliflor), que liberan nitrilos mediante hidrólisis. El mandelonitrilo , una cianhidrina producida por la ingestión de almendras o algunos huesos de frutas, libera cianuro de hidrógeno y es responsable de la toxicidad de los glucósidos cianogénicos. [46]
Actualmente se comercializan más de 30 productos farmacéuticos que contienen nitrilo para una variedad diversa de indicaciones medicinales y más de 20 productos farmacéuticos adicionales que contienen nitrilo se encuentran en desarrollo clínico. Los tipos de productos farmacéuticos que contienen nitrilos son diversos, desde vildagliptina , un fármaco antidiabético, hasta anastrozol , que es el estándar de oro en el tratamiento del cáncer de mama. En muchos casos, el nitrilo imita la funcionalidad presente en los sustratos para las enzimas, mientras que en otros casos el nitrilo aumenta la solubilidad en agua o disminuye la susceptibilidad al metabolismo oxidativo en el hígado. [47] El grupo funcional nitrilo se encuentra en varios fármacos.
{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ); Volúmenes recopilados , vol. 6, pág. 307.