Νιτρίλιο

Νιτρίλιο (nitrile) είναι οποιαδήποτε οργανική ένωση που έχει τη χαρακτηριστική ομάδα −C≡N. Το πρόθεμα κυανο- (cyano-) χρησιμοποιείται εναλλακτικά με τον όρο νιτρίλιο στη βιομηχανική βιβλιογραφία. Τα νιτρίλια βρίσκονται σε πολλές χρήσιμες ενώσεις, που συμπεριλαμβάνουν το κυανοακρυλικό μεθύλιο (methyl cyanoacrylate), που χρησιμοποιείται στην υπερκόλλα (super glue) και το ελαστικό νιτριλίου (nitrile rubber), ένα πολυμερές που περιέχει νιτρίλιο και χρησιμοποιείται στα εργαστηριακά και στα ιατρικά γάντια. Το ελαστικό νιτριλίου χρησιμοποιείται επίσης πλατιά για τη στεγανοποίηση αυτοκινήτων και άλλων υλικών, επειδή αντιστέκεται σε καύσιμα και έλαια. Οι οργανικές ενώσεις που περιέχουν πολλαπλές νιτριλομάδες είναι γνωστές ως κυανοανθρακούχες (cyanocarbons).
Οι ανόργανες ενώσεις που περιέχουν την ομάδα −C≡N δεν ονομάζονται νιτρίλια, αλλά κυανίδια. Αν και τα νιτρίλια και τα κυανίδια μπορούν να παραχθούν από κυανιούχα άλατα, τα περισσότερα νιτρίλια δεν είναι καθόλου τοξικά.

Δομή και βασικές ιδιότητες

Στα νιτρίλια, ο σκελετός N-C-C είναι γραμμικός, αντανακλώντας τον υβριδισμό sp του άνθρακα του τριπλού δεσμού. Η απόσταση C-N είναι μικρή στα 1,16 Å, συνεπής με τριπλό δεσμό. Τα νιτρίλια είναι πολικά, όπως φαίνεται από τις υψηλές διπολικές ροπές. Ως υγρά, έχουν υψηλές διηλεκτρικές σταθερές, συχνά γύρω στα 30.

Ιστορικό

Το νιτρίλιο του βενζοϊκού οξέος πρωτοπαρασκευάστηκε από τους Φρήντριχ Βέλερ και Γιούστους φον Λήμπιχ, αλλά λόγω της ελάχιστης απόδοσης της σύνθεσης δεν προσδιορίστηκαν ούτε φυσικές, ούτε χημικές ιδιότητες και επίσης δεν προτάθηκε δομή. Ο Θεόφιλος Πελούζ (Théophile-Jules Pelouze) συνέθεσε προπανονιτρίλιο το 1834 προτείνοντας ότι ήταν ένας αιθέρας προπανόλης και υδροκυανικού οξέος.
Η σύνθεση του βενζονιτριλίου από τον Χέρμαν Φέλινγκ (Hermann Fehling) το 1844, με θέρμανση του βενζοϊκού αμμωνίου, ήταν η πρώτη μέθοδος με επαρκή απόδοση της ουσίας για χημική έρευνα. 
Προσδιόρισε τη δομή συγκρίνοντας την με την ήδη γνωστή σύνθεση του υδροκυανίου με θέρμανση μυρμηκικού αμμωνίου με τα αποτελέσματά του. Επινόησε το όνομα "νιτρίλιο" για την νεοευρεθείσα ουσία, που έγινε το όνομα για αυτήν την ομάδα των ενώσεων.

Σύνθεση

Βιομηχανικά, οι κύριες μέθοδοι παραγωγής νιτριλίων είναι η αμμωνιοξείδωση (ammoxidation) και η υδροκυάνωση (hydrocyanation). Και οι δύο οδοί δεν παράγουν στοιχειομετρικές ποσότητες αλάτων.

Από οργανικά αλογονίδια και κυανιούχα άλατα

Συχνά, για πιο εξειδικευμένες εφαρμογές, τα νιτρίλια μπορούν να παρασκευαστούν από πολλές άλλες μεθόδους. Παραδείγματος χάρη, τα αλκυλαλογονίδια υφίστανται πυρηνόφιλη αλειφατική υποκατάσταση με κυανίδιο αλκαλιμετάλλου στη σύνθεση νιτριλίου Κόλμπε (Kolbe). Τα αρυλονιτρίλια παρασκευάζονται με τη σύνθεση Ρόζενμουντ φον Μπράουν (Rosenmund-von Braun).

Κυανυδρίνες

Οι κυανυδρίνες είναι μια ειδική τάξη των νιτριλίων που παρασκευάζεται με την προσθήκη κυανιούχων μετάλλων σε αλδεΰδες στην κυανυδρική αντίδραση. Λόγω της πολικότητας του οργανικού καρβονυλίου, αυτή η αντίδραση δεν χρειάζεται καταλύτη, αντίθετα προς την υδροκυάνωση των αλκενίων.

Αντιδράσεις

Οι ομάδες των νιτριλίων στις οργανικές ενώσεις μπορούν να δώσουν διάφορες αντιδράσεις όταν υπόκεινται σε συγκεκριμένα αντιδραστήρια ή συνθήκες. Μια νιτριλομάδα μπορεί να υδρολυθεί, να αναχθεί, ή να ejected απο ένα μόριο ως ιόν κυανιδίου.

Αναγωγή

Στην οργανική αναγωγή τα νιτρίλια ανάγονται αντιδρώντας με υδρογόνο με καταλύτη νικελίου· σε αυτήν την αντίδραση σχηματίζεται αμίνη. Η αναγωγή σε ιμίνη που ακολουθείται από υδρόλυση σε αλδεΰδη λαμβάνει χώρα στη σύνθεση αλδεϋδών Στέφεν (Stephen).

Αλκυλίωση

Τα αλκυλονιτρίλια είναι αρκετά όξινα ώστε να σχηματίζουν Nitrile anions, που αλκυλιώνουν πολλά ηλεκτρόφιλα. Κρίσιμο στην εξαιρετική πυρηνοφιλία είναι η μικρή στερεοχημική απαίτηση της μονάδας CN που συνδυάζεται  με την επαγωγική σταθεροποίηση. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τα νιτρίλια ιδανικά για τη δημιουργία νέων δεσμών άνθρακα-άνθρακα σε στερεοχημικά demanding περιβάλλοντα για χρήση στις συνθέσεις της ιατρικής χημείας. Πρόσφατες εξελίξεις έχουν δείξει ότι η φύση of the metal counter-ion προκαλεί διαφορετική σύνταξη είτε στο άζωτο του νιτριλίου ή στο γειτονικό πυρηνόφιλο άνθρακα, συχνά με βαθιές διαφορές στη δραστικότητα και τη στερεοχημεία.

Οργανικά κυαναμίδια

Τα κυαναμίδια είναι N-κυανο ενώσεις με γενική δομή R₁R₂N-CN και είναι συγγενή με το ανόργανο γονικό κυαναμίδιο.

Προέλευση και εφαρμογές

Τα νιτρίλια εμφανίζονται στη φύση σε διάφορες ομάδες φυτών και ζώων. Πάνω από 120 νιτρίλια που εμφανίζονται στη φύση έχουν απομονωθεί από επίγειες και θαλάσσιες πηγές. Τα νιτρίλια βρίσκονται συνήθως σε κουκούτσια φρούτων, ειδικά στα αμύγδαλα και κατά το μαγείρεμα καλλιεργειών κράμβης (όπως λάχανα, λαχανάκια Βρυξελλών και κουνουπίδι), που ελευθερώνουν νιτρίλια μέσω υδρόλυσης. Το αμυγδαλονιτρίλιο (Mandelonitrile), μια κυανυδρίνη που παράγεται με πρόσληψη αμυγδάλων ή κάποιων κουκουτσιών φρούτων, απελευθερώνει υδροκυάνιο και είναι υπεύθυνο για την τοξικότητα των κυανογόνων γλυκοζιτών.
Πάνω από 30 φάρμακα που περιέχουν νιτρίλια διατίθενται μέχρι τώρα στο εμπόριο για διάφορες ιατρικές ενδείξεις και πάνω από 20 πρόσθετα που περιέχουν νιτρίλια εξετάζονται στην κλινική ανάπτυξη. Η νιτριλομάδα είναι αρκετά δυνατή και, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν μεταβολίζεται άμεσα, αλλά περνά μέσω του σώματος αμετάβλητη. Οι τύποι των φαρμάκων που περιέχουν νιτρίλια είναι ποικίλοι, από βιλνταγλιπτίνη (vildagliptin), ένα αντιδιαβητικό φάρμακο, μέχρι την αναστροζόλη (anastrozole), που είναι το σημείο αναφοράς στην αντιμετώπιση καρκίνου του στήθους. Σε πολλές περιπτώσεις η λειτουργικότητα αντιγράφων νιτριλίων παρουσιάζεται σε υποστρώματα για ένζυμα, ενώ σε άλλες περιπτώσεις το νιτρίλιο αυξάνει τη διαλυτότητα του νερού ή μειώνει τη δεκτικότητα σε οξειδωτικό μεταβολισμό στο ήπαρ.Η χαρακτηριστική ομάδα του νιτριλίου βρίσκεται σε πολλά φάρμακα.