Nitriilid

Nitriilid on −C≡N funktsionaalrühma sisaldavad orgaanilised ühendid. Kirjanduses kasutatakse nitriiliga vaheldumisi eesliidet tsüano-. Nitriilid leiduvad paljudes kasulikes ühendites nagu näiteks metüültsüanoakrülaat, mis sisaldub superliimis, ja nitriilbutadieenkummi, nitriile sisaldav polümeer, mida kasutatakse lateksivabades laboratoorsetes ja meditsiinilistes kinnastes. Mitut nitriilirühma sisaldavaid orgaanilisi ühendeid nimetatakse tsüanosüsinikeks. Anorgaanilisi −C≡N sidet sisaldavaid rühmi nimetatakse tsüaniidideks, mitte nitriilideks. Kuigi nii tsüaniide kui ka nitriile saab toota tsüaniidsooladest, ei ole nitriilid kaugeltki nii mürgised.

Struktuur ja omadused
Nitriilide N-C-C skelett on lineaarne, viidates süsiniku kolmekordse sideme sp hübridisatsioonile. Kolmiksidemele omaselt on C-N side lühike, kõigest 1,16 Å. Suure dipoolmomendi tõttu on nitriilid polaarsed ja vedelikena on neil suur dielektriline konstant.

Ajalugu
Esimese nitriili, milleks oli metaanhappe nitriil, sinihape, sünteesis Carl Wilhelm Scheele aastal 1782.<ref_name="Mowry"/> Bensoehappe nitriili valmistasid esimestena Friedrich Wöhler ja Justus von Liebig, kuid väikese saagise tõttu ei saanud selle keemilisi ja füüsikalisi omadusi määrata ega struktuuri ennustada. 1834. aastal sünteesis Théophile-Jules Pelouze etüültsüaniidi, pakkudes, et tegu võib olla propanooli ja sinihappe eetriga. 1844. aastal avastas Hermann Fehling bensonitriili sünteesiraja, kuumutades ammooniumbensoaati. See oli esimene piisavalt suure saagisega meetod, mis võimaldas keemilist analüüsi. Ta määras bensonitriili struktuuri, võrreldes oma tulemusi juba varem teadaoleva vesiniktsüaniidi sünteesiga, kuumutades ammooniummetanoaati. Ta nimetas leitud ühendi nitriiliks, millest sai ka selle ühendi rühma nimetus.<ref_name="Fehling"/> Fehling kirjutab lk 96: "Da Laurent den von ihm entdeckten Körper schon Nitrobenzoyl genannt hat, auch schon ein Azobenzoyl existirt, so könnte man den aus benzoësaurem Ammoniak entstehenden Körper vielleicht Benzonitril nennen." (Kuna Laurent nimetas leitud aine "nitrobensoüüliks" ja "asobensoüül" juba eksisteeris, võiks ammoonium bensoaadist pärinevat ainet nimetada "bensonitriiliks".)</ref>

Süntees
Peamised nitriilide tööstuslikud tootmise meetodid on ammoksüdatsioon ja hüdrotsüanatsioon. Mõlemaid radasid saab pidada rohelisteks, kuna need ei tekita stöhhiomeetrilisi soolakoguseid.

Ammoksüdatsioon
Ammoksüdatsiooni korral oksüdeeritakse osaliselt süsivesinik ammoniaagi juuresolekul. Sellist metoodikat kasutatakse praktikas akrüülnitriilide suuremahuliseks tootmiseks:
CH3CH=CH2 + 3/2 O2 + NH3 → NCCH=CH2 + 3 H2O
Selle protsessi kõrvalproduktiks on atsetonitriil. Ammoksüdatsiooniga toodetakse enamik bensonitriili, ftalonitriili ning ka isobutüürnitriili derivaatidest. Seda protsessi katalüüsitakse metalli oksiididega ja eeldatakse, et reaktsioon kulgeb mööda aldehüüdi rada.

Hüdrotsüonatsioon
Hüdrotsüonatsioon on levinud nitriili tootmise meetod sinihappest ja alkeenidest. See süntees vajab homogeenset katalüsaatorit. Hüdrotsüonatsiooni näiteks on heksaandinitriili süntees 1,3-butadieenist: 
CH2=CH-CH=CH2 + 2 HCN → NC(CH2)4CN

Tsüanohüdriinid

Tsüanohüdriinid on nitriilide klass, mis on moodustunud aldehüüdidele metallitsüaniidide lisamise kaudu tsüanohüdriinreaktsiooni käigus. Tänu orgaanilise karbonüüli polaarsusele ei vaja see reaktsioon katalüsaatorit, erinevalt alkeenide hüdrotsüanisatsioonist.

Amiidide ja oksiimide dehüdratsioon
Nitriile saab valmistada dehüdraatimise kaudu primaarsetest amiididest. Selleks saab kasutada mitmeid reagente, näiteks kombinatsioon etüüldiklorofosfaadist ja DBU-st, bensonitriili tootmiseks bensamiidist:

Kaks intermediaati sellel pildil on amiidi tautomeeridtautomeer A ja selle fosfaatadukt B.
Sarnase dehüdraatimise teel saab Von Brauni amiiddegradatsiooni reaktsiooni kaudu nitriile sekundaarsetest amiididest. Sellisel juhul lõhutakse üks C-N sidemetest. Nitriile saab ka aldoksiimide (RCH=NOH) dehüdraatimise teel. Sellisel juhul on tüüpilisteks reagentideks trietüülamiin/vääveldioksiid, tseoliidid või sulfurüülkloriid. Seda lähenemist kasutades on võimalik nitriili süntees aldehüüdist ja hüdroksüülamiinist naatriumsulfaadi juuresolekul.

Sandmeyeri reaktsioon
Laboratoorselt valmistatakse aromaatseid nitriile tihti aniliinist diasooniumi ühendite abil. Sellist reaktsiooni nimetatakse Sandmeyeri reaktsiooniks ning see vajab üleminekumetalli tsüaniide.
ArN2+ + CuCN → ArCN + N2 + Cu+

Muud meetodid
Tsüaniidide rühma kommertsiaalseks allikaks on dietüülalumiiniumtsüaniid (Et2AlCN), mis saadakse trietüülalumiiniumi reaktsioonil vesiniktsüaniidiga. 
Et3Al + HCN → Et2AlCN + Et-H
Saadud ainet kasutatakse nukleofiilse liitujana ketoonidele.
Aromaatseid nitriile saab ka triklorometüülarüülketimiinide (RC(CCl3)=NH) aluselisel hüdrolüüsil Houben-Fischeri sünteesi kaudu.

Reaktsioonid
Orgaaniliste ühendite nitriilrühmad võivad läbida mitmeid reaktsioone kindlates tingimustes või kindlate reagentidega. −C≡N rühma on võimalik hüdrolüüsida, redutseerida või eraldada molekulist tsüaniidioonina.

Hüdrolüüs
Et saada karboksamiide RC(=O)NH2 ja nendest karboksüülhappeid RCOOH, on vaja nitriile RCN hüdrolüüsida. Üldiselt peetakse nitriilide hüdrolüüsi parimaks karboksüülhapete tootmise saamise viisiks, kuigi selle meetodi happe või aluse katalüütilistel reaktsioonidel on omad piirangud ja/või puudused. Peamine puudus on see, et viimane happe või aluse neutralisatsioon viib suure hulga soola tekkimiseni, mis analüüti saastab.
Aluse katalüütilised reaktsioonid. Reaktsiooni astmete kineetika uurimine näitas, et hüdroksiidiooniga katalüüsitud atsetonitriili ja etaanamiidi teist järku kiiruskonstandid on 1,6×10−6 ja 7,4×10 −5M−1s−1. Nende numbrite analüüsil selgub, et aluse katalüüsitud reaktsiooni teine aste on kiirem kui esimene ning et reaktsioon kulgeb lõppsaaduseni (karboksüülhappe soolani) ilma amiidi staadiumis peatumiseta. Sellest järeldub, et tavalisel metallivabal aluse katalüüsitud reaktsioonil valmistatud amiidid on saastunud karboksüülhappega ja nende kahe eraldamine on võimalik vaid mõõduka saagisega.
Happe katalüütilised reaktsioonid. Tugeva happe lahuses toimuvad reaktsioonid vajavad täpset temperatuuri ja reagentide suhet, et ära hoida polümeeride teket, mida osaliselt soodustab hüdrolüüsi eksotermiline iseloom.

Redutseerimine
Nitriile redutseeritakse vesinikuga, kasutades katalüüdina niklit. Selle tulemusena moodustub amiin. Edasist redutseerimist imiiniks ja hüdrolüüsi aldehüüdiks nimetatakse Stepheni aldehüüdi reaktsiooniks.

Alkülatsioon
Alküülnitriilid on piisavalt happelised, et moodustada karbanioone, mis alküleerivad mitmeid elektrofiile. Taolise suure nukleofiilsuse tagab CN rühma väike steeriline takistus kombineeritud induktiivse stabilisatsiooniga. Need omadused muudavad nitriilid sobivaks meditsiinilises keemias uute süsinik-süsinik-sidemete loomiseks steeriliselt takistatud süsteemides. Hiljutised uurimused on näidanud, et erinevad metallist vastasioonid põhjustavad erinevat koordinatsiooni kas siis nitriili lämmastikule või vastasolevale nukleofiilsele süsinikule, omandades märgatavalt erinevat reaktsioonivõimelisust ja stereokeemiat.

Nukleofiilid
Nitriili süsiniku aatom on elektrofiiliks nukleofiilsel liitumisreaktsioonil:
tsinkorgaanilise ühendiga Blaise’i reaktsioonis
alkoholiga Pinneri reaktsioonis
sarnaselt annab amiin sarkosiin reaktsioonil tsüaanamiidiga kreatiini
Friedel-Craftsi atsüülimisel Houben-Hoeschi reaktsioonil saab nitriilidest ketoone.

Muud meetodid ja ühendid
Redutseerival detsüanatsioonil asendub nitriili rühm prootoniga. α-aminonitriile saab detsüaneerida liitium-alumiiniumhüdriidiga.
Nitriilid on võimelised iseendaga reageerima nukleofiilse liitumise teel Thorpe’i reaktsioonis aluselises keskkonnas.
Metallorgaanikas on võimalik nitriilide lisandumine alküünidele karbotsüanatsiooni teel.

Nitriilide derivaadid

Orgaanilised tsüaanamiidid
Tsüaanamiidid on N-CN ühendid üldise struktuuriga R1R2N-CN.

Nitriiloksiidid

Nitriiloksiididel on üldine struktuur R-CNO.

Leidumine ja kasutamine
Nitriile leidub looduslikult nii mitmetes taimsetes kui ka loomsetes organismides. Üle 120 erineva looduses esineva nitriili on suudetud eraldada. Nitriile on võimalik leida puuviljade kividest, eeskätt mandlitest aga ka ristõieliste sugukonda (näiteks kapsas, lillkapsas, rooskapsas) kuuluvate viljade küpsetamisel, milles tekivad nitriilid hüdrolüüsi teel. Mandlite ja mõnede puuviljade kivide seedimisel tekkiv tsüanohüdriin mandelonitriil vabastab vesiniktsüaniidi ja on tsüanogeensete glükosiidide mürgisuse põhjuseks.
Tänapäeval on turul üle kolmekümne nitriile sisaldava ravimi ning üle 20 nitriile sisaldava ravimi on arenduses. Nitriilrühm on küllaltki robustne ning üldiselt läbib ta keha muutumatult. Ravimid, milles nitriilrühm esineb on vägagi erinevad, alustades vildagliptiinist, mis on antidiabeetiline ravim, kuni anastrasoolini, mida kasutatakse rinnavähi ravimisel. Mitmel juhul matkib nitriilrühm ensüümides esinevate substraatide tööülesandeid. Samas kasutatakse seda ka ravimi vees lahustuvuse suurendamiseks ja vähendamaks vastuvõtlikkust maksa oksüdatiivsele lagundamisele.

Kasutamine Eestis
Uurimustes kasutatakse eeskätt atsetonitriili tänu tema heale polaarsusele, seejuures vesiniksidet moodustamata.
29. augustil 2013 kaitsti Tartu ülikoolis doktoritöö ultraheliefektide uurimisest vee ja atsetonitriili lahuses, tõestamaks eksperimentaalselt ultraheliefektide esinemist ilma kavitatsiooni nähtuseta.
Tartu Ülikooli Analüütilise keemia õppetoolis uuritakse eri ainete happelisi ja aluselisi omadusi erinevates keskkondades, sealhulgas atsetonitriilis. Väga nõrgalt avaldunud happelis-aluselised omadused (autoprotolüüsikonstant pKauto≥33,3) teevad atsetonitriilist hea diferentseeriva keskkonna ja suur dielektriline konstant soodustab elektrolüütide dissotsiatsiooni ning hoolimata mõningatest puudustest on AN leidnud laialdast kasutust keskkonna happelis-aluste tasakaalude uurimisel nii hapete kui aluste korral.

Viited 

Orgaanilised ühendid