Разнообразное применение цианида натрия в органическом синтезе

Введение

Соль цианид (NaCN), с химической формулой NaCN, представляет собой белое кристаллическое вещество или порошок, который хорошо растворяется в воде и имеет слабый запах горького миндаля. Благодаря своей высокой реакционной способности он нашел широкое применение в широком спектре органический синтез реакции. Однако важно отметить, что цианид натрия чрезвычайно токсичен и с ним следует обращаться с максимальной осторожностью и в строгом соответствии с протоколами безопасности. В этой статье рассматриваются различные применения Цианид натрия в органическом синтезе.

Приложения в органическом синтезе

Реакция Штрекера

Одно из самых известных применений Цианид натрия в органическом синтезе находится в реакции Штрекера. Эта реакция является мощным методом синтеза α - аминокислот. В реакции Штрекера альдегид или кетон реагирует с хлоридом аммония (NH₄Cl) и цианидом натрия. Общий механизм реакции следующий:

1. Сначала альдегид или кетон реагирует с аммиаком (образующимся in situ из хлорида аммония) с образованием имина. Карбонильная группа альдегида или кетона протонируется, что делает его более электрофильным. Затем аммиак атакует протонированный карбонильный углерод, после чего следует депротонирование с образованием имина.

2. Далее цианид-ион (CN⁻) из цианида натрия действует как нуклеофил и атакует иминный углерод. Это образует промежуточный α-аминонитрил.

3. Наконец, гидролиз α-аминонитрила в кислых или основных условиях дает соответствующую α-аминокислоту.

Реакция Штрекера обеспечивает простой способ введения как аминогруппы, так и карбоксильной группы (после гидролиза нитрила) на один атом углерода, что имеет решающее значение для синтеза аминокислот, строительных блоков белков. Например, когда формальдегид (HCHO) реагирует с хлоридом аммония и цианидом натрия, а затем следует гидролиз, можно получить глицин (NH₂CH₂COOH), простейшую аминокислоту.

Приготовление нитрилов

Цианид натрия обычно используется для получения нитрилов. В реакции замещения алкилгалогениды (такие как метилбромид, CH₃Br) реагируют с цианидом натрия в полярном апротонном растворителе, таком как диметилсульфоксид (ДМСО) или ацетон. Реакция протекает по механизму SN2, где ион цианида атакует атом углерода, связанный с галогеном. Атом галогена замещается, и образуется алкилнитрил. Например:

CH₃Br + NaCN → CH₃CN + NaBr

Арильные нитрилы также могут быть синтезированы с использованием цианида натрия в некоторых случаях. Например, в некоторых реакциях, катализируемых переходными металлами, арилгалогениды могут реагировать с цианидом натрия в присутствии катализатора, такого как цианид меди(I) (CuCN) или палладиевые катализаторы. Эта реакция позволяет вводить функциональную группу -CN в ароматическое кольцо, что полезно при синтезе различных фармацевтических препаратов, агрохимикатов и красителей.

Конденсация бензоина

Конденсация бензоина — еще одна важная реакция, в которой цианид натрия играет ключевую роль. В этой реакции ароматические альдегиды (альдегиды с ароматическим кольцом, такие как бензальдегид, C₆H₅CHO) реагируют в присутствии каталитического количества цианида натрия в спиртовом растворе. Механизм реакции включает следующие этапы:

1. Цианид-ион сначала присоединяется к карбонильному углероду бензальдегида, действуя как нуклеофил. Этот продукт присоединения является циангидриноподобным промежуточным продуктом.

2. Отрицательный заряд на атоме кислорода циангидринподобного промежуточного соединения может затем атаковать карбонильный углерод другой молекулы бензальдегида.

3. После серии стадий переноса протона и элиминирования иона цианида образуется бензоин (α - гидрокси - кетон).

Конденсация бензоина обеспечивает способ образования новой связи углерод-углерод между двумя молекулами альдегида, что имеет ценность в синтезе более сложных органических молекул. Хотя в последние годы были предприняты попытки заменить цианид натрия более экологически чистыми катализаторами, такими как соли тиазолия или витамин B₁, традиционный метод с использованием цианида натрия в некоторых случаях все еще актуален.

Реакции присоединения к ненасыщенным соединениям

Цианид натрия также может участвовать в реакциях присоединения к ненасыщенным соединениям. Например, в присутствии катализатора он может присоединяться к α,β - ненасыщенным карбонильным соединениям (таким как акролеин, CH₂=CHCHO). Реакция следует механизму присоединения типа Михаэля, где ион цианида атакует β - углерод α,β - ненасыщенного карбонильного соединения. Эта реакция может быть использована для введения цианометильной группы (-CH₂CN) в ненасыщенную систему, которая может быть далее преобразована в другие функциональные группы. Например, полученный продукт может быть гидролизован с образованием карбоновой кислоты или восстановлен с образованием амина.

Вопросы безопасности

Как упоминалось ранее, цианид натрия чрезвычайно токсичен. Вдыхание, проглатывание или контакт с кожей с цианидом натрия может быть смертельным. Он реагирует с кислотами, образуя цианистый водород (HCN), высокотоксичный газ. При работе с цианидом натрия необходимо строго соблюдать следующие меры безопасности:

1. Использовать в хорошо проветриваемом вытяжном шкафу для предотвращения накопления токсичных газов.

2. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты, включая перчатки, очки и лабораторный халат. В некоторых случаях может потребоваться респиратор.

3. Храните цианид натрия в безопасном, маркированном контейнере вдали от кислот и других реактивных химикатов.

4. Имейте под рукой соответствующие планы реагирования на чрезвычайные ситуации и оборудование на случай разливов или аварий.

Заключение

Цианид натрия является универсальным и важным реагентом в органическом синтезе. Он позволяет образовывать различные ключевые функциональные группы, такие как аминокислоты, нитрилы и α - гидрокси - кетоны, и участвует в важных реакциях образования связей углерод - углерод. Несмотря на свою токсичность, при обращении с ним с особой осторожностью и в соответствии с правилами безопасности он продолжает оставаться важным инструментом в наборе синтетических химиков для получения широкого спектра органических соединений, от фармацевтических препаратов до тонких химикатов. Однако текущие исследовательские усилия сосредоточены на разработке альтернативных, более безопасных методов для достижения тех же синтетических целей.