Циангидрины

Циангидрины

Циангидри́ны (α-гидроксинитрилы, нитрилы α-оксикислот) — соединения, содержащие нитрильную и гидроксильную группы при одном углеродном атоме, формально могут считаться продуктами присоединения синильной кислоты к альдегидам и кетонам.

По номенклатуре ИЮПАК циангидрины именуются как гидроксинитрилы, однако используются и тривиальные названия, образованные добавлением суффикса -циангидрин к названию карбонильного соединения-предшественника, например, $(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}$ — ацетонциангидрин (2-гидрокси-2-метилпропаннитрил).

Свойства и реакционная способность

Реакционная способность циангидринов обусловлена наличием спиртовой и нитрильной групп с некоторыми особенносями реакционной способности гидроксила, обусловленной электронакцепторным влиянием нитрильной группы.

Так, циангидрины, как и спирты, ацилируются хлорангидридами карбоновых кислот, этерифицируются азотной кислотой с образованием нитроэфиров, присоединяются к виниловым эфирам с образованием ацеталей, реагируют с пентахлоридом фосфора с замешением гидроксила на галоген, образуя α-хлорнитрилы.

Однако при взаимодействии с аммиаком и гидразином, в отличие от алифатических спиртов, происходит замещение гидроксила на амино- или гидразиновую группу, при этом образуются α-амино или α-гидразинонитрилы.

Под действием водоотнимающих агентов (пентаоксида фосфора $\mathrm{P}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_5$, оксихлорида серы $\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$) или катализаторов при нагревании алифатические циангидрины отщепляют воду, образуя 1,2-ненасыщенные нитрилы, так, из циангидрина ацетальдегида (нитрила молочной кислоты) образуется акрилонитрил:

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}⟶\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}\stackrel{-\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}}{\to }\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}$.

Как и нитрилы, циангидрины гидролизуются до амидов и далее до α-гидроксикарбоновых кислот, в жестких условиях в случае алифатических циангидринов гидролиз может сопровождаться отщеплением гидроксильной группы, что ведет к образованию 1,2-ненасыщенных амидов или карбоновызх кислот. Так, ацетонциангидрин при нагревании Шаблон:Nobr серной кислоте образует метакриламид:

$(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

Синтез

Действие цианидов на карбонильные соединения

Основным методом синтеза как в лабораторной практике, так и в промышленности является присоединение цианистого водорода к карбонильным соединениям:

$\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}⟶\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}$.

В эту реакцию вступают алифатические, большинство ароматических и многие гетероциклические альдегиды, алифатические и алициклические кетоны. Ароматические кетоны в реакцию не вступают. Образованию циангидринов препятствуют стерические затруднения, в случае ароматических и гетероциклических альдегидов, в которых ароматический заместитель стабилизирует образование циангидрин-карбаниона; побочным процессом является бензоиновая конденсация карбаниона со второй молекулой альдегида:

Реакция может проводиться в щелочной водной или водно-спиртовой среде с цианидами щелочных металлов в присутствии $\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}$ или $\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ при температурах Шаблон:Nobr (модификация Ульте) либо с использованием цианистого водорода в момент выделения при добавлении уксусной кислоты в водный раствор цианида щелочного металла и карбонильного соединения при Шаблон:Nobr (модификация Уреха).

Циангидрины могут быть также получены действием цианидов на бисульфитные производные альдегидов и кетонов:

В качестве «безцианидного» метода синтеза циангидринов альдегидов используется обменная реакция с циангидридами кетонов (обычно с легкодоступным ацетонциангидрином):

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}⟶\mathrm{R}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}+(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}$.

Для синтеза циангидринов ароматических кетонов, не образующихся в классических условиях реакции, в качестве синтетического эквивалента цианид-иона или синильной кислоты используется триметилсилилцианид, что позволяет синтезировать циангидрины бензофенонов. Реакция идет через образование триметилсилильных производных циангидринов, которые затем в кислотных условиях гидролизуются до циангидринов.

Использование триметилсилилцианида также позволяет синтезировать триметилсилилциангидрин p-бензохинона.

Другие методы синтеза

Циангидрины могут быть синтезированы и функционализацией соответствующих α-гидроксисоединений.

Так, оксимы α-гидроксиальдегидов под действием кислотных и ацилирующих агентов (уксусный ангидрид и т. п.) образуют циангидрины:

$\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})-\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})-\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{A}\mathrm{c}+\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{O}\mathrm{H};$

$\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})-\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{A}\mathrm{c}⟶\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{O}\mathrm{H}$.

Применение

Промышленное применение

Ацетонциангидрин является крупнотоннажным продуктом органического синтеза и используется как сырье в производстве производных метакриловой кислоты — метилметакрилата:

$(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\cdot \mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4;$

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\cdot \mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$.

метакрилонитрила:

$(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{C}\mathrm{N}⟶\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

и других соединений, применяемых в качестве мономеров для получения полимеров — полиакрилатов.

Использование в органическом синтезе

Взаимодействие циангидридов альдегидов с альдегидами в присутствии хлороводорода в безводных условиях приводит к образованию оксазолов, эта реакция идет через присоединение хлороводорода к нитрильной группе циангидрина с образованием имидоилхлорида используется как препаративный метод синтеза (синтез оксазолов по Фишеру):

Образование циангидринов из альдоз является первой стадии их гомологизации по Килиани-Фишеру:

Синтез циангидринов — нитрилов альдоновых кислот из оксимов альдоз с дальнейшим отщеплением от них цианистого водорода используется в химии углеводов как метод укорочения углеродной цепи альдоз на одно звено (реакция Воля):

Циангидрины также используются в модифицированном синтезе α-аминокислот по Штреккеру в модификации Тимана. В этом методе циангидрины вводятся в реакцию с аммиаком с образованием α-аминонитрилов, которые далее гидролизуются до α-аминокислот:

Триметилсилилциангидрины, в отличие от циангидринов, могут быть депротонированы действием диизопропиламида лития до соответствующих карбанионов:

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3⟶\mathrm{R}\mathrm{C}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3,$

которые могут быть введены в реакцию с альдегидами или кетонами, образуя после дальнейшего гидролиза ацилоины:

$\mathrm{R}\mathrm{C}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3+\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{2}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}2}\mathrm{C}=\mathrm{O}⟶\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{2}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}2}\mathrm{C}(-\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-})-\mathrm{C}\mathrm{R}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3,$

$\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{2}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}2}\mathrm{C}(-\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-})-\mathrm{C}\mathrm{R}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{2}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}2}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{R}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}+[(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{H}]$.

Триметилсилилоксинитрил-карбанионы также могут быть алкилированы алкилгалогенидами и далее гидролизованы до кетонов заданной структуры:

$\mathrm{R}\mathrm{C}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3+\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}\mathrm{a}\mathrm{l}⟶\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3+\mathrm{H}\mathrm{a}\mathrm{l}{\phantom{A}}^{-},$

$\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}(\mathrm{C}\mathrm{N})\mathrm{O}\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{R}\mathrm{R}{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}1}\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}+[(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{H}]$.

Нахождение в природе

Амигдалин — генцибиозид бензальдегидциангидрина (нитрила миндальной кислоты).

Циангидрины являются агликонами цианогенных гликозидов, встречающихся во многих видах растений: бензальдегидциангидрин амигдалина растений рода слива Prunus и дуррина сорго, ацетонциангидрин линамарина маниоки и льна, этилметилкетонциангидрин лотаустралина маниоки, клевера ползучего и Lotus australis и др.

Высвобождающиеся при гидролизе цианогенных гликозидов циангидрины в физиологических условиях разлагаются с образованием соответствующего карбонильного соединения и синильной кислоты, что обуславливает токсичность растений, содержащих цианогенные гликозиды.

У двупарноногих многоножек рода Aphelora — A. corrugata и A. trimaculata бензальдегидциангидрин (наряду с бензоилцианидом) синтезируется и накапливается в ядовитых железах и в случае опасности гидролизуется с выделением синильной кислоты.