Циангидрины

Циангидрины

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

В систематической номенклатуре циангидрины именуются как гидроксинитрилы, однако используются и тривиальные названия, образованные добавлением суффикса -циангидрин к названию карбонильного соединения-предшественника, например, (CH₃)₂C(OH)CN — 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 (Р₂О₅, SOCl₂) или катализаторов при нагревании алифатические циангидрины отщепляют воду, образуя 1,2-ненасыщенные нитрилы, так, из циангидрина ацетальдегида (нитрила молочной кислоты) образуется акрилонитрил:

$\mathrm {CH_{3}CHO+HCN\longrightarrow CH_{3}CH(OH)CN{\xrightarrow {-H_{2}O}}\ CH_{2}{=}CHCN}$

Как и нитрилы, циангидрины гидролизуются до амидов и далее до α-гидроксикарбоновых кислот, в жестких условиях в случае алифатических циангидринов гидролиз может сопровождаться отщеплением гидроксила, что ведет к образованию 1,2-ненасыщенных амидов или карбоновызх кислот. Так, ацетонциангидрин при нагревании 98% серной кислоте образует метакриламид:

(CH₃)₂C(OH)CN + H₂O → CH₂=C(CH₃)CONH₂

Синтез

Действие цианидов на карбонильные соединения

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

RR¹CO + HCN $\to$ RR¹C(OH)CN

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 КОН или Na₂CO₃ при температурах 0-50 °C (модификация Ульте) либо с использованием цианистого водорода в момент выделения при добавлении уксусной кислоты в водный раствор цианида щелочного металла и карбонильного соединения при 20-30 °C (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):

RCHO + (CH₃)₂C(OH)CN $\to$ RC(OH)CN + (CH₃)₂CO

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:

RR’C(OH)-CH=NOH + Ac₂O $\to$ RR’C(OH)-CH=NOAc + AcOH

RR’C(OH)-CH=NOAc $\to$ RR’C(OH)CN + AcOH

Применение

Промышленное применение

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

(CH₃)₂C(OH)CN + H₂SO₄ → CH₂=C(CH₃)CONH₂·H₂SO₄

CH₂=C(CH₃)CONH₂·H₂SO₄ + CH₃OH → CH₂=C(CH₃)COOCH₃ + NH₄HSO₄

метакрилонитрила:

(CH₃)₂C(OH)CN → CH₂=C(CH₃)CN + H₂O

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:

RCH(CN)OSi(CH₃)₃ → RC^-(CN)OSi(CH₃)₃,

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

RC^-(CN)OSi(CH₃)₃ + R¹R²C=O → R¹R²C(-O^-)-CR(CN)OSi(CH₃)₃

R¹R²C(-O^-)-CR(CN)OSi(CH₃)₃ + 2H₂O → R¹R²C(OH)-COR + HCN + [(CH₃)₃SiOH]

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

RC^-(CN)OSi(CH₃)₃ + R¹Hal → RR¹C(CN)OSi(CH₃)₃ + Hal^-

RR¹C(CN)OSi(CH₃)₃ + H₂O → RR¹CO + HCN + [(CH₃)₃SiOH]

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.

Литература

Science of Synthesis: Houben-Weyl Methods of Molecular Transformations Vol. 19: Three Carbon-Heteroatom Bonds: Nitriles, Isocyanides, and Derivatives. — Georg Thieme Verlag, 2014-05-14. — ISBN 978-3-13-171921-8.