En química orgánica , la hidrocianación es un proceso de conversión de alquenos en nitrilos . La reacción implica la adición de cianuro de hidrógeno y requiere un catalizador . Esta conversión se lleva a cabo a escala industrial para la producción de precursores del nailon.
En la industria, la hidrocianación se realiza comúnmente en alquenos catalizada por complejos de níquel de ligandos de fosfito ( P(OR) 3 ). Se muestra una reacción general: [1]
La reacción implica la adición de H + y cianuro ( −CN ) al sustrato . Normalmente, el sustrato es un alqueno y el producto es un nitrilo .
La reacción se lleva a cabo mediante la adición oxidativa de HCN a un complejo metálico de baja valencia para formar un complejo de cianuro hidruro. La unión posterior del alqueno da lugar al intermedio M(H)(CN)L n (alqueno) , que luego sufre una inserción migratoria para formar un cianuro de alquilmetal. El ciclo se completa con la eliminación reductora del nitrilo.
Los ácidos de Lewis , como el trifenilboro ( B(C 6 H 5 ) 3 ), inducen la eliminación reductiva del producto nitrilo, aumentando las tasas. [1]
En el caso de los sistemas basados en níquel, la desactivación del catalizador implica la formación de especies de dicianuro de níquel (II), que no reaccionan con los alquenos. El dicianuro surge a través de dos vías (L = fosfito): [1]
La mayoría de los alquenos son proquirales, lo que significa en este contexto que su hidrocianación genera nitrilos quirales. Los catalizadores de hidrocianación convencionales, por ejemplo Ni(P(OR) 3 ) 4 , catalizan la formación de mezclas racémicas. Sin embargo, cuando los ligandos de soporte son quirales, la hidrocianación puede ser altamente enantioselectiva . Para la hidrocianación asimétrica, los ligandos quirales populares son complejos de difosfito de arilo quelantes . [1] [2] [3]
La aplicación industrial más importante es la síntesis catalizada por níquel de adiponitrilo ( NC−(CH 2 ) 4 −CN ) a partir de buta-1,3-dieno ( CH 2 =CH−CH=CH 2 ). El adiponitrilo es un precursor de la hexametilendiamina ( H 2 N−(CH 2 ) 6 −NH 2 ), que se utiliza para la producción de ciertos tipos de nailon . El proceso ADN de DuPont para producir adiponitrilo se muestra a continuación:
Este proceso consta de tres pasos: hidrocianación de butadieno a una mezcla de 2-metil-buteno-3-nitrilo (2M3BM) y penteno-3-nitrilo (3PN), un paso de isomerización de 2M3BM (no deseado) a 3PN y una segunda hidrocianación (ayudada por un cocatalizador de ácido de Lewis como tricloruro de aluminio o trifenilboro) a adiponitrilo. [4]
La hidrocianación es importante debido a la versatilidad de los nitrilos de alquilo (RCN), que son intermediarios importantes para la síntesis de amidas , aminas , ácidos carboxílicos y ésteres .
El naproxeno , un fármaco antiinflamatorio , se prepara mediante una hidrocianación asimétrica de un vinilnaftaleno utilizando un ligando de fosfinita ( OPR 2 ), L . La enantioselectividad de esta reacción es importante porque solo el enantiómero S es deseable desde el punto de vista medicinal, mientras que el enantiómero R produce efectos nocivos para la salud. Esta reacción puede producir el enantiómero S con una estereoselectividad >90% . Tras la recristalización del producto crudo, se puede obtener el nitrilo ópticamente puro.
La hidrocianación fue reportada por primera vez por Arthur y Pratt en 1954, cuando catalizaron homogéneamente la hidrocianación de alquenos lineales. [5] El proceso industrial para la hidrocianación catalítica de butadieno a adiponitrilo fue inventado por William C. Drinkard .
En la transhidrocianación , un equivalente de HCN se transfiere desde una cianhidrina, por ejemplo, cianhidrina de acetona , a otro aceptor de HCN. La transferencia es un proceso de equilibrio, iniciado por una base. La reacción puede ser impulsada por reacciones de atrapamiento o por el uso de un aceptor de HCN superior, como un aldehído. [6]
Los compuestos carbonílicos α,β-insaturados sufren hidrocianación en ausencia de catalizadores metálicos. Una manifestación es un caso especial de la reacción de Michael , que conduce a β-cianocetonas. Otra manifestación conduce a cianohidrinas de vinilo. También se observan β-ciano-cianhidrinas. Las condiciones de reacción permiten el acceso a cualquiera de estos productos. [7]
(1)
En general, las condiciones ácidas favorecen los aductos 1,2, mientras que las condiciones básicas favorecen los aductos 1,4. Las adiciones de cianuros de metales alcalinos , por ejemplo, conducen exclusivamente a la adición 1,4. [8] A diferencia de los cianuros de metales alcalinos y los cianoaluminatos, los cianuros ácidos de Lewis, como el TMSCN , favorecen la adición 1,2. Los sustratos acetilénicos experimentan la reacción; sin embargo, el alcance de esta reacción es limitado y los rendimientos suelen ser bajos. [9]
(5)
Se ha observado la adición de 1,4 a iminas en algunos casos, aunque las iminas suelen ser lábiles a las bases. [10]
(6)
Los ésteres, [11] nitrilos [12] y otros derivados del carbonilo también sufren hidrocianación conjugativa.
Cuando se utilizan cianuros de metales alcalinos, suele ser necesaria al menos una neutralización parcial del medio de reacción. La neutralización puede lograrse mediante un grupo ácido en el propio sustrato (neutralización interna) [13] o mediante la adición de un ácido externo (neutralización externa). El ácido acético se utiliza habitualmente para este fin, en un procedimiento iniciado por Lapworth [14] .
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Se utilizó la hidrocianación conjugativa para preparar el anillo D esteroidal. [15] La diastereoselectividad es generalmente alta en estas reacciones de adición, y los compuestos de β-cianocarbonilo resultantes se pueden convertir en varios productos esteroidales.