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.

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.

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.

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.

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

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

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].

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

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.

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].