Изонитрилы

Изонитрилы (изоцианиды, карбиламины) — органические соединения общей формулы , изомерны нитрилам R—C≡N. ИЮПАК рекомендует использовать название «изоцианиды»^[1]. Изонитрилы токсичны и обладают сильным отвратительным запахом, низшие изонитрилы представляют собой жидкости.

Свойства

Структуру изонитрильной группы можно представить как резонансный гибрид двух канонических форм — биполярной с отрицательным зарядом на атоме углерода и карбеновой с двухвалентным углеродом:

Изонитрильная группа, подобно нитрильной, линейна (угол C-N-C составляет 180°), длина связи C=N в изонитрилах — 0,117 нм также близка длине нитрильной связи — 0,116 нм, близки и параметры ИК-спектров у изонитрилов характеристическая полоса при 2100—2200 см⁻¹, у нитрилов — при 2200—2250 см⁻¹, что свидетельствует о большем вкладе биполярной структуры.

В ЯМР-спектрах ¹³C изонитрильный атом углерода дает сигнал при 150—160 м.д.

Реакционная способность

Изонитрильная группа - единственная стабильная функциональная группа, содержащая двухвалентный углерод (в карбеновой резонансной форме), поэтому для неё характерны реакции 1,1-присоединения к углероду, восстанавливающие его устойчивое четырехвалентное состояние, а не 1,2 присоединения к кратной связи, характерные для нитрилов.

Другой особенностью является локализация отрицательного заряда на углероде в биполярной резонансной форме, что обусловливает их высокую реакционную способность к электрофильным агентам и пониженную, в отличие от нитрилов, по отношению к нуклеофильным.

Реакции с электрофилами

Изонитрилы реагируют с электрофильными реагентами с образованием продуктов 1,1-присоединения к атому углерода, при этом Изонитрилы бурно реагируют с галогенами - хлором, бромом и даже йодом, образуя иминокарбонилдигалогениды, в синтетической практике реакцию проводят при охлаждении:

R—N≡C + Hal₂ ${\displaystyle \to }$ RNC(Hal)₂

Взаимодействие изоцианидов с безводными галогеноводородами ведет к образованию солей формимидоилгалогенидов:

R—N≡C + HHal ${\displaystyle \to }$ RN=CHHal•HHal

Изонитрилы ацилируются хлорангидридами карбоновых кислот с образованием α-кетоимидоилхлоридов:

R—N≡C + R¹COCl ${\displaystyle \to }$ RN=C(Cl)COR¹

Реакция карбоновых кислот с изонитрилами через промежуточное образование ацилимидатов ведет к образованию ангидридов карбоновых кислот и N-формамидов:

R—N≡C + R¹COOH ${\displaystyle \to }$ RN=CHOCOR¹

RN=CHOCOR¹ + R¹COOH ${\displaystyle \to }$ RNHCHO + (R¹CO)₂O

Электрофильная атака sp² С-электрофилов (кетонов и солей иминов) на нуклеофильный атом углерода изонитрилов лежит в основе реакций Пассерини и Уги.

Реакции с нуклеофилами

Изонитрилы устойчивы к нуклеофильным атакам: они не гидролизуются в щелочных условиях, не взаимодействуют со спиртами и не реагируют с аминами даже при нагревании.

Однако при протонировании атома углерода изонитрильной группы образуется высокоэлектрофильный катион:

R—N≡C + H⁺ ${\displaystyle \to }$ R—N⁺≡CH ,

который реагирует с нуклеофилами: в условиях кислотного катализа изонитрилы реагируют со спиртами, тиолами и аминами; аналогичный каталитический эффект оказывают и соли некоторых переходных металлов (в частности, цинка и одновалентной меди).

Так, в кислой среде изонитрилы легко гидролизуются до N-замещенных формамидов и присоединяют сероводород с образованием N-замещенных тиоформамидов:

R—N≡C + H₂X ${\displaystyle \to }$ RNHCHX

В присутствии хлорида меди(I) амины реагируют с изонитрилами с образованием замещенных формамидинов, аналогично в этих условиях реагируют и гидразины, образуя формамидразоны:

R—N≡C + R¹NH₂ ${\displaystyle \to }$ HC(=NR)NHR¹,

R¹ = Ar, Alk, ArNH, AlkNH

Окисление и восстановление

Изонитрилы окисляются до изоцианатов под действием разнообразных окислителей - диметилсульфоксида^[2], оксида ртути(II) и т.д.:

R—N≡C + [O] ${\displaystyle \to }$ RN=C=О

Окисление изонитрилов в присутствии соответствующих нуклеофилов является синтетическим эквивалентом реакции изоцианата с нуклеофилом.

Так, окисление изонитрилов ацетатом трехвалентного таллия в присутствии спиртов приводит к образованию соответствующих карбаматов^[3]:

R—N≡C + Tl(OAc)₃ + R¹ОН ${\displaystyle \to }$ R-N=C(OR¹)Tl(OAc)₃ + AcOH

R-N=C(OR¹)Tl(OAc)₃ + R¹ОН ${\displaystyle \to }$ R-N=C(OR¹)₂

R-N=C(OR¹)₂ + AcOH ${\displaystyle \to }$ RNHCO₂R¹ + AcOR¹

Окислительное присоединение первичных аминов к изонитрилам ведет к образованию карбодиимидов, в качестве окислителя в таких реакциях выступает молекулярный кислород^[4]:

R—N≡C + R¹NH₂ + [O] ${\displaystyle \to }$ R-N=C=N-R¹ + H₂O

Аналогичным образом изонитрилы взаимодействуют и с серой, образуя изотиоцианаты:

R—N≡C + [S] ${\displaystyle \to }$ RN=C=S

Восстановление изонитрилов (алюмогидридом лития, натрием в этаноле, каталитическое над платиновой чернью и т.п.), как правило, ведет к образованию вторичных метиламинов:

R—N≡C + [H] ${\displaystyle \to }$ RNHCH₃ ,

однако под действием трибутилгидрида олова алкилизонитрилы восстанавливаются до алканов:

R—N≡C + [H] ${\displaystyle \to }$ RH

Комплексообразование

Изонитрилы образуют комплексы с переходными металлами, открытие комплексов изонитрилов произошло одновременно с синтезом первого представителя изонитрилов - аллилизонитрила - взаимодействием аллилйодида с цианидом серебра: в этой реакции происходит образование изоцианидного комплекса серебра.

Изонитрилы являются σ-донорными лигандами средней силы и сильными π-акцепторными лигандами и в силу этого изонитрильные комплексы схожи с карбонилами металлов: так, изонитрилы, как и окись углерода, в комплексе стабилизируют низшие степени окисления металлов и могут образовывать мостики между атомами металлов, образуя многоядерные комплексы - в том числе и многоядерные нульвалентные комплексы, например, трет-бутилизонитрильный комплекс железа Fe₂(t-BuNC)₉, аналогичный нонакарбонилу железа Fe₂(CO)₉^[5].

Синтез

Изонитрилы были впервые синтезированы в 1859 году, когда Лике синтезировал аллилизоцианид взаимодействием^[6] аллилйодида с цианидом серебра. Этот метод синтеза подобен синтезу нитрилов алкилированием «свободного» цианид-иона цианидов щелочных металлов алкилгалогенидами, однако в случае использования цианидов серебра и одновалентной меди, образующих цианидные комплексы, в которых с металлом связывается атом азота цианид-иона, алкилирование происходит по атому углерода и образуется изоцианидный комплекс:

AlkI + AgCN ${\displaystyle \to }$ AlkN≡C·AgI

Из такого комплекса изонитрил высвобождается действием цианида калия:

AlkN≡C·AgI + KCN ${\displaystyle \to }$ AlkN≡C + K[AgI(CN)]

Выходы в классическом варианте этой реакции относительно невысоки (до 55 %), однако могут быть повышены её проведением в апротонных растворителях в условиях межфазного катализа в присутствии четвертичных фосфониевых или аммониевых солей. Наилучшие результаты дает проведение реакции в гомогенной среде, например, при использовании в качестве донора цианида дицианоаргентатом тетраметиламмония, выходы в этом случае близки к количественным.

Близким к этому методу является взаимодействие эпоксидов с триметилсилилцианидом, катализируемое хлоридом цинка, ведущее к образованию алифатических β-триметилсилоксиизонитрилов, которые могут быть далее гидролизованы до β-гидроксиизонитрилов, выходы в реакции высоки и превышают по β-гидроксиизонитрилам превышают 90 %^[7].

Другим классическим методом синтеза изонитрилов является открытая в 1867 году Готье^[8] и Гофманом^[9] реакция между первичным амином и хлороформом в спиртовом растворе щелочи (карбиламинная реакция Гофмана), идущая через образование дихлоркарбена и его взаимодействие с амином:

CHCl₃ + KOH ${\displaystyle \to }$ :CCl₂ + KCl + H₂O

RNH₂ + :CCl₂ + 2KOH ${\displaystyle \to }$ R-N≡C + 2KCl + 2H₂O

По аналогичному механизму протекает взаимодействие первичных аминов с трихлорацетатом натрия, разлагающегося при нагревании с образованием дихлоркарбена.

Изонитрилы также синтезируются дегидратацией N-монозамещенных формамидов под действием различных водоотнимающих агентов — например, хлорангидридов кислот^[10] или комбинации трифенилфосфина с четыреххлористым углеродом^[11]:

RNHCHO ${\displaystyle \to }$ R-N≡C

Другим общим методом синтеза изонитрилов исходя из альдегидов является их конденсация с 5-аминотетразолом, восстановлением образовавшихся иминов в N-замещённые 5-аминотетразолы и их окисление гипобромитом натрия^[12]:

RCHO + Tetr-NH₂ ${\displaystyle \to }$ RCHNTetr

RCHNTetr + [H] ${\displaystyle \to }$ RCH₂NHTetr

RCH₂NHTetr + NaBrO ${\displaystyle \to }$ R-N≡C + 3N₂ + H₂O + NaBr

Изонитрильная проба по Гофману

Изонитрилы обладают сильным отвратительным запахом, эта особенность используется для качественного обнаружения первичных аминов в изонитрильной пробе по Гофману: раствор исследуемого вещества в хлороформе добавляется к спиртовому раствору щелочи, образующийся из первичного амина изонитрил легко обнаруживается по сильному характерному запаху; благодаря сильному запаху изонитрилов проба высокочувствительна.

Нахождение в природе

Изонитрилы относительно редко встречаются в природе, первым обнаруженным в природных источниках изонитрилом стал ксантоциллин, продуцируемый Penicillium notatum и выделенный в 1957 г. В дальнейшем был выделен и ряд других изонитрилов, обладающих биологической активностью, в частности, антибиотик аэроцианидин из бактерий Chromobacterium violaceum:

и микотоксин триховиридин грибов рода Trichoderma spp.:

В морских беспозвоночных — губках и голожаберных моллюсках — обнаружены терпеноидные изонитрилы и биогенетически связанные с ними формамиды, изотиоцианаты и, в некоторых случаях, даже иминокарбонилдихлориды^[13].

Примечания

1. isocyanides // IUPAC Gold Book  (неопр.). Дата обращения: 28 октября 2010. Архивировано 21 января 2015 года.
2. Martin, D.; A. Weise. Acid‐Catalysed Oxidation of Isocyanides with Dimethyl Sulfoxide (англ.) // Angewandte Chemie International Edition in English : journal. — 1967. — 1 February (vol. 6, no. 2). — P. 168—169. — ISSN 1521-3773. — doi:10.1002/anie.196701682.
3. Tanaka, Sakuya; Hiroshi Kido, Sakae Uemura, Masaya Okano. Oxidation of Isocyanides by Hg(II), Tl(III), and Pb(IV) Acetates (англ.) // Bulletin of the Chemical Society of Japan^[англ.] : journal. — 1975. — Vol. 48, no. 11. — P. 3415—3416. — ISSN 0009-2673. — doi:10.1246/bcsj.48.3415. (недоступная ссылка)
4. Cotarca, Livius; Heiner Eckert. Phosgenations--a handbook (неопр.). — Wiley-VCH, 2004. — С. 445—446. — ISBN 9783527298235.
5. Bassett, J.M.; Barker, G.K.; Green, M.; Howard, J.A.; Stone, G.A.; Wolsey, W.C. "Chemistry of low-valent metal isocyanide complexes" J.C.S. Dalton, 1981, 219-227.
6. Lieke, W., Justus Liebigs Ann. Chem. 1859, 112, 316
7. Paul G. Gassman and Thomas L. Guggenheim. Conversion of epoxides to β-hydroxy isocyanides: trans-2-isocyanocyclohexanol. Org. Synth. 1986, 64, 39 Архивная копия от 4 июля 2018 на Wayback Machine DOI: 10.15227/orgsyn.064.0039
8. Gautier, A., Justus Liebigs Ann. Chem. 1867, 142, 289; Ann. Chim. (Paris) 1869, 17, 103, 203
9. Hofmann, A. W., Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1870, 3, 63
10. R. E. Schuster, James E. Scott, Joseph Casanova, Jr. Methyl isocyanide. Organic Syntheses, Coll. Vol. 5, p.772 (1973); Vol. 46, p.75 (1966).  (неопр.) Дата обращения: 13 апреля 2011. Архивировано из оригинала 15 января 2011 года.
11. Francesco Amato and Stefano Marcaccini. 2,2-Diethoxy-1-isocyanoethane. Org. Synth. 2005, 82, 18. DOI: 10.15227/orgsyn.082.0018  (неопр.). Дата обращения: 23 ноября 2019. Архивировано 2 июня 2018 года.
12. Höfle, Gerhard (1983). "Oxidation of 5-aminotetrazoles: benzyl isocyanide". Organic Syntheses. Vol. 61, no. 7. p. 14. Архивировано 17 октября 2012. Дата обращения: 19 мая 2011. {{cite news}}: Неизвестный параметр |coauthors= игнорируется (|author= предлагается) (справка)
13. Garson, M. J.; J. S. Simpson. Marine isocyanides and related natural products–structure, biosynthesis and ecology (англ.) // Natural product reports^[англ.] : journal. — 2004. — Vol. 21, no. 1. — P. 164—179. Архивировано 5 декабря 2021 года.