Rolul și mecanismele cianurii de sodiu în sinteza organică

Introducere

Cianura de sodiu (NaCN), un solid cristalin alb, foarte solubil în apă, este atât o bază puternică, cât și un nucleofil puternic, ceea ce o face un reactiv valoros în sinteza organică . În ciuda toxicității sale extreme, care necesită măsuri de siguranță stricte în timpul manipulării, cianura de sodiu joacă un rol crucial în sinteza diverșilor compuși organici, inclusiv produse farmaceutice, agrochimicale și polimeri.

Rolul cianurii de sodiu în sinteza organică

Ionul de cianură ca nucleofil

Ionul de cianură din cianura de sodiu este un nucleofil extrem de reactiv. Datorită sarcinii negative a atomului de carbon și electronegativității ridicate a atomului de azot, acesta poate ataca centrele electrofile din moleculele organice, cum ar fi grupările carbonil, halogenurile de alchil și epoxizii.

Formarea legăturilor C-C

Una dintre cele mai importante funcții ale cianurii de sodiu în sinteza organică este crearea de noi legături carbon-carbon, realizată prin reacții de substituție nucleofilă și adiție. De exemplu, atunci când o halogenură de alchil reacționează cu cianura de sodiu, ionul de cianură înlocuiește ionul de halogenură, ducând la formarea unui nitril. Această reacție oferă o modalitate simplă de a introduce un atom de carbon suplimentar în moleculă. Ulterior, gruparea nitril poate fi transformată în alte grupări funcționale, cum ar fi acizii carboxilici, aminele sau aldehidele, prin diverse procese chimice.

Sinteza aminoacizilor - Reacția Strecker

Cianura de sodiu este o componentă cheie în reacția Strecker, care este utilizată pentru sinteza α-aminoacizilor. În această reacție, o aldehidă sau o cetonă se combină cu clorura de amoniu și cianura de sodiu pentru a forma un α-aminonitril. Acest α-aminonitril poate fi apoi hidrolizat pentru a produce α-aminoacidul corespunzător.

Reacția se desfășoară în mai multe etape: Mai întâi, gruparea carbonil a aldehidei sau cetonei suferă o protonare, crescându-i electrofilicitatea. Apoi, o moleculă de amoniac atacă gruparea carbonil protonată, urmată de deprotonare pentru a forma un hemiaminal. În continuare, gruparea hidroxil a hemiaminalului este protonată, rezultând eliminarea apei și formarea unui ion de iminiu. Ionul de cianură atacă apoi ionul de iminiu pentru a produce α-aminonitrilul. În final, hidroliza α-aminonitrilului în prezența unui acid sau a unei baze dă α-aminoacidul.

Sinteza nitrililor din halogenuri de arilă - Reacția Rosenmund-von Braun

În reacția Rosenmund-von Braun, cianura de sodiu este utilizată pentru a converti halogenurile de arili, care sunt compuși aromatici substituiți cu halogen, în nitrili de arili. Catalizată de cianura de cupru(I) și necesitând de obicei temperaturi ridicate, această reacție implică formarea unui intermediar cupru-arilic. Ionul de cianură din cianura de sodiu reacționează apoi cu acest intermediar pentru a forma nitrilul de aril. Acest proces este important pentru introducerea unei grupări funcționale nitril pe un inel aromatic, care poate fi modificat în continuare pentru sinteza diferiților compuși aromatici, cum ar fi produsele farmaceutice și coloranții.

Sinteza compușilor carbonilici

Cianura de sodiu participă, de asemenea, la sinteza compușilor carbonilici. De exemplu, atunci când reacționează cu un epoxid, ionul de cianură atacă atomul de carbon mai puțin substituit din ciclul epoxidic, provocând deschiderea acestuia. Hidroliza ulterioară a cianohidrinei rezultate poate duce la formarea unui compus carbonilic.

Mecanismele reacțiilor care implică cianură de sodiu

Reacții de substituție nucleofilă

Mecanismul SN2 : Când cianura de sodiu reacționează cu halogenuri de alchil primare, reacția urmează de obicei un mecanism SN2 (substituție nucleofilă bimoleculară). Ionul de cianură atacă atomul de carbon atașat la halogen din spate, opus poziției ionului de halogenură care pleacă. Aceasta este o reacție concertată în care ruperea legăturii carbon-halogen și formarea legăturii carbon-cianură au loc simultan. Viteza de reacție depinde de concentrațiile atât ale halogenurii de alchil, cât și ale ionului de cianură, iar stereochimia produsului este inversată în comparație cu cea a materialului de pornire.

Mecanismul SN1 : În cazul halogenurilor de alchil terțiar, reacția poate avea loc printr-un mecanism SN1 (substituție nucleofilă unimoleculară). Mai întâi, halogenura de alchil se disociază pentru a forma un intermediar carbocation. Apoi, ionul cianură atacă acest carbocation pentru a forma produsul. Mecanismul SN1 este caracterizat prin formarea unui intermediar carbocation planar, iar produsul poate prezenta un amestec de stereochimisme, fenomen cunoscut sub numele de racemizare, datorită atacului nucleofil din ambele părți ale carbocationului planar.

Reacții de adiție nucleofilă

Adăugarea la grupările carbonil : Când cianura de sodiu reacționează cu aldehidele sau cetonele, ionul de cianură vizează atomul de carbon carbonilic electrofil. Gruparea carbonil are o legătură polarizată carbon-oxigen, atomul de carbon fiind situsul electrofil. Atacul ionului de cianură creează o nouă legătură carbon-cianură, iar atomul de oxigen al grupării carbonil capătă o sarcină negativă. În etapa următoare, o sursă de protoni, cum ar fi apa sau un acid, protonează atomul de oxigen pentru a forma o cianohidrină. Această reacție este reversibilă, iar echilibrul poate fi ajustat în favoarea produsului prin controlul condițiilor de reacție.

Adiția la imine : În reacția Strecker, adăugarea ionului de cianură la ionul de iminiu, care se formează prin reacția unei aldehide sau cetone cu amoniacul, urmează un mecanism similar de adiție nucleofilă. Ionul de iminiu are o sarcină pozitivă pe atomul de azot, ceea ce face ca atomul de carbon adiacent să fie electrofil. Ionul de cianură atacă acest atom de carbon, formând o nouă legătură carbon-cianură și rezultând formarea unui α-aminonitril.

Considerații privind siguranța

Este esențial să se sublinieze faptul că cianura de sodiu este extrem de toxică. Inhalarea, ingerarea sau contactul cu pielea cu aceasta pot fi fatale. Atunci când se lucrează cu cianură de sodiu, trebuie respectate protocoale stricte de siguranță. Acestea includ efectuarea experimentelor într-o hotă de extracție a gazelor bine ventilată, purtarea echipamentului individual de protecție adecvat, cum ar fi mănuși, ochelari de protecție și halat de laborator, și implementarea unor planuri adecvate de intervenție în caz de urgență în caz de expunere accidentală.

Concluzie

Cianura de sodiu este un reactiv puternic și versatil în sinteza organică. Capacitatea sa de a acționa ca nucleofil și de a crea noi legături carbon-carbon o face un instrument indispensabil pentru chimiști în sintetizarea unei game largi de compuși organici. Înțelegerea mecanismelor de reacție care implică cianura de sodiu este esențială pentru conceperea unor rute sintetice eficiente și prezicerea rezultatelor reacțiilor. Cu toate acestea, din cauza toxicității sale ridicate, utilizarea sa trebuie reglementată cu atenție și efectuată cu cele mai mari precauții de siguranță pentru a proteja bunăstarea chimiștilor și a mediului înconjurător.