Изоцианаты — органические соединения, содержащие функциональную группу −N=C=O[1].
Реакционная способность
Реакции с нуклеофилами
Изоцианаты, будучи гетерокумуленами, являются активными электрофильными реагентами.
Реакции с N-нуклеофилами
При взаимодействии с первичными и вторичными аминами они образуют замещённые мочевины:
Взаимодействие иминофосфоранов с изоцианатами по типу реакции Виттига является одним из методов синтеза карбодиимидов:
Изоцианаты также реагируют с амидами карбоновых кислот, образуя ацилмочевины, однако, из-за пониженной нуклеофильности азота амидов взаимодействие идет в более жестких, по сравнению с аминами условиях и в ряде случаев осложняется образованием побочных продуктов[2],[3]:
Реакции с O- и S-нуклеофилами
При взаимодействии со спиртами и тиолами — карбаматы (уретаны) и тиокарбаматы[4]:
Изоцианаты гидролизуются водой до аминов и углекислоты:
При нагреве арилизоцианатов с карбоновыми кислотами в диметилсульфоксиде сначала образуются нестабильные смешанные ангидриды, которые затем отщепляют с образованием N-замещенных амидов, побочной реакцией является образование ангидрида карбоновой кислоты, в которой изоцианат выступает в роли дегидратирующего агента[5],[6]:
В реакцию с изоцианатами также вступают триалкиламмониевые соли карбоновых кислот, в этом случае реакция идет в растворе диметилформамида при комнатной температуре и дает хорошие выходы N-замещенных амидов алифатических, ароматических и гетероароматических кислот[7].
Реакции с C-нуклеофилами
Изоцианаты и изотиоцианаты реагируют с реагентами Гриньяра и литийорганическими соединениями с образованием N-замещенных амидов карбоновых кислот[8],
- ,
при использовании в качестве катализатора взаимодействие алкилмагнийорганических соединений может идти с перестройкой углеродного скелета[9]:
![{\displaystyle {\ce {R-CH(CH3)MgBr + PhNCO ->[{\ce {Cp2TiCl2}}] RCH2CH2CONHPh}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/89b62650b5693b7cd05f5f1e2ca1fb8c01124ed7)
Изоцианаты ацилируют еноляты кетонов и енамины, эта реакция используется как препаративный метод синтеза амидов β-кетокислот (β-кетоамидов)[10],[11]:
Окисление и восстановление
Изоцианатизоцианаты во влажном ацетоне с хорошими выходами окисляются диметилдиоксираном до нитросоединений[12]:
![{\displaystyle {\ce {RNCO ->[{\ce {[O]}}] RNO2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f9f42c1f5a0949de77c3fd568b2f293c0a5a2719)
Исчерпывающее восстановление изоцианатов сопровождается расщеплением связи N=C и ведет к образованию соответствующих аминов, однако однако выбором соответствующего восстановителя изоцианаты могут быть восстановлены с сохранением связи углерод-азот с образованием изонитрилов, N-замещенных формамидов и метиламинов.
До изонитрилов изоцианаты могут быть восстановлены замещенными силанами, в частности комплексом трихлорсилана с триэтиламином или дифенил-трет-бутилсилиллитием[13]:
![{\displaystyle {\ce {RNCO ->[{\ce {[H]}}] R-N#C}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9633d5add6475c9b1093fb8f89b3ba053c0d28f3)
Восстановление изонитрилов до N-замещенных формамидов идет под действием алкоксиалюмогидридов лития при катализе (выходы до 95%, нитро- и нитрильные группы не затрагиваются)[14], триалкилсиланами при катализе хлоридом палладия[15],[16] или пинаколборана с катализом комплексами магния (с образованием N-борилформамидов, которые далее гидролизуются)[17]:
![{\displaystyle {\ce {RNCO ->[{\ce {[H]}}] R-NH-CHO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/30be59456f6deae5cb7f17ea14e5760515efda53)
Восстановление изоцианатов и изотиоцианатов алюмогидридом лития в эфире[18] или бораном аммиака при катализе [19]ведёт к восстановлению карбонильной группы изоцианата до метильной группы с образованием соответствующих метиламинов:
![{\displaystyle {\ce {RNCO ->[{\ce {[H]}}] R-NH-CH3}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/539da8043da517b403a0b8ecd09cec6ad59a9fea)
Циклоприсоединение
1,2-циклоприсоединение изоцианатов к алкенам используется для синтеза напряжённых N-замещённых β-лактамов, являющихся, в частности, структурным фрагментом антибиотиков пенициллинового ряда. Для получения незамещённых лактамов применяется N-хлорсульфонилизоцианат, способный присоединяться даже к простейшим незамещённым алкенам с лёгким удалением хлорсульфонильной группы. В реакции с 1,3-диенами N-хлорсульфонилизоцианат способен образовывать и продукты 1,4-циклоприсоединения.
Изоцианаты способны к димеризации с образованием уретдионов (1,2-азетидин-2,4-дионов), реакция катализируется триалкилфосфинами и, с меньшей эффективностью, третичными аминами (например, пиридином). Реакция обратима, при нагреве уретдионы разлагаются с образованием исходных изоцианатов:
Изоцианаты также могут тримеризоваться с образованием три-N-замещённых циануровых кислот, эта реакция катализируется слабыми основаниями (ацетатом калия, триэтиламином и т. п.)[20].
Синтез
Изоцианаты из аминов
Наиболее распространённый метод синтеза изоцианатов — реакция аминов с фосгеном (фосгенирование аминов), реакция идёт в среде инертного растворителя через промежуточное образование карбамоилхлоридов:
![{\displaystyle {\ce {RNH2 ->[{\ce {COCl2}}][-{\ce {HCl}}] RNHCOCl ->[][-{\ce {HCl}}] RNCO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b00ce075848b3836b12c14fafb816abab5ebcdc7)
Этот метод является и основным промышленным методом синтеза изоцианатов.
В случае синтеза промышленно важных диизоцианатов, использующихся в производстве полиуретанов (толуилендиизоцианат, дифенилметандиизоцианат) фосгенирование ведут в две стадии:
- Синтез моноизоцианата фосгенированием диамина при относительно низкой температуре (холодное фосгенирование):
- Синтез диизоцианата фосгенированием гидрохлорида аминоизоцианата при относительно высокой температуре (горячее фосгенирование):
Другой метод синтеза изоцианатов, использующийся в промышленности — термическое разложение карбаматов:
Карбаматы, в свою очередь, могут быть получены реакцией соответствующего амина с мочевиной и спиртом:
либо взаимодействием амина с диалкилкарбонатами:
Такой «бесфосгенный» метод в промышленности используется для синтеза алифатических изоцианатов, в частности, гексаметилендиизоцианата.
В лабораторной практике вместо газообразного и опасного в обращении фосгена может быть использован оксалилхлорид — он реагирует с аминами и амидами с образованием соответствующих изоцианатов, отщепляя оксид углерода:
Таким образом могут быть синтезированы как ацилизоцианаты[21], так и сульфонилизоцианаты.
Изоцианаты из карбоновых кислот и их производных
Изоцианаты, гидролизующиеся in situ до аминов, также образуются в качестве промежуточных продуктов в перегруппировках Гофмана, Курциуса и Лоссена и могут быть выделены при проведении реакции в инертных растворителях:
Присоединение изоциановой кислоты к алкенам
Изоцианаты также могут быть синтезированы присоединением изоциановой кислоты к алкенам, легче всего реагируют алкены с терминальной двойной связью и электрондонорным заместителем при двойной связи, например, виниловые эфиры:
Аналогично с изоциановой кислотой реагируют и стирол и его гомологи, изопрен и другие алкены, проведение реакции с неактивированными электрондонорными заместителями алкенами идёт в более жёстких условиях и под действием катализаторов (эфират трифторида бора, p-толуолсульфокислота)[22].
Прочие методы
Изонитрилы окисляются до изоцианатов под действием разнообразных окислителей — оксида ртути(II), диметилсульфоксида[23] и т. д., окисление диметилсульфоксидом используется как препаративный метод синтеза[24]
![{\displaystyle {\ce {R-N#C ->[{\ce {[O]}}] RNCO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ee3fff0c9b9cd85190837bf883ecdae9bb486ae)
Изотиоцианаты с хорошими выходами окисляются диметилдиоксираном а ацетоне до изоцианатов[25]:
![{\displaystyle {\ce {R-N=C=S ->[{\ce {[O]}}] RNCO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ffbcc514e942fdb28010ebf9fcf383c0b98b3268)
Амины взаимодействуют с диоксидом углегода условиях реакции Мицунобу с образованием изоцианатов, движущей силой реакции являетяс образование фосфиноксида[26]:
Реакция аминов с ди-трет-бутилтрикарбонатом идет в мягких условиях и дает изоцианаты с хорошими выходами[27], преимуществом этого метода является легкость синтеза и доступность ди-трет-бутилтрикарбоната, являющегося промежуточным продуктом в синтезе ди-трет-бутилдикарбоната[28] - реагента для Boc-защиты аминогрупп:
![{\displaystyle {\ce {RNH2 ->[{t-BuO(COO)3Bu-t}] RNCO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a9c5ac8bb77add0050adb4527e0989a9edd214c1)
Применение
Основное промышленное применение изоцианатов — использование их в сочетании с многоатомными спиртами для дальнейшего синтеза полиуретанов. Метилизоцианат используется в синтезе пестицидов.
Объем мирового рынка изоцианатов в 2000 году составлял 4,4 миллиона тонн, из которых 61,3 % приходилось на метилендифенилдиизоцианат (МДИ), 34,1 % на толуилендиизоцианат (ТДИ), 3,4 % на гескаметилендиизоцианат (ГДИ) и 1,2 % на изофоронилдиизоцианат (ИФДИ).
См. также
Литература
- Общая органическая химия / Под ред. Д. Бартона и У. Д Уиллиса / Том 3. Азотсодержащие соединения. «Химия», М. 1982.
Примечания
- ↑ isocyanates Архивная копия от 22 октября 2012 на Wayback Machine // IUPAC Gold Book.
- ↑ Wiley, Paul F. (1 апреля 1949). The Reaction of Amides with Isocyanates. Journal of the American Chemical Society. 71 (4): 1310–1311. doi:10.1021/ja01172a047. ISSN 0002-7863. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Wiley, Paul F. (19 ноября 1949). The Reaction of Amides with Isocyanates. II. N-Substituted Amides. Journal of the American Chemical Society. 71 (11): 3746–3748. doi:10.1021/ja01179a045. ISSN 0002-7863. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Movassagh, Barahman; Soleiman-Beigi, Mohammad (1 февраля 2008). Synthesis of Thiocarbamates from Thiols and Isocyanates Under Catalyst- and Solvent-Free Conditions. Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly. 139 (2): 137–140. doi:10.1007/s00706-007-0762-7. ISSN 1434-4475. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ SORENSON, W. R. (1 июля 1959). Reaction of an Isocyanate and a Carboxylic Acid in Dimethyl Sulfoxide. The Journal of Organic Chemistry. 24 (7): 978–980. doi:10.1021/jo01089a024. ISSN 0022-3263. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Blagbrough, Ian S.; Mackenzie, Neil E.; Ortiz, Claudio; Scott, A. Ian (1 января 1986). The condensation reaction between isocyanates and carboxylic acids. A practical synthesis of substituted amides and anilides. Tetrahedron Letters. 27 (11): 1251–1254. doi:10.1016/S0040-4039(00)84230-6. ISSN 0040-4039. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Sasaki, Kaname; Crich, David (6 мая 2011). Facile Amide Bond Formation from Carboxylic Acids and Isocyanates. Organic Letters. 13 (9): 2256–2259. doi:10.1021/ol200531k. ISSN 1523-7060. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Pace, Vittorio; Monticelli, Serena; Vega-Hernández, Karen de la; Castoldi, Laura (16 августа 2016). Isocyanates and isothiocyanates as versatile platforms for accessing (thio)amide-type compounds. Organic & Biomolecular Chemistry. 14 (33): 7848–7854. doi:10.1039/C6OB00766J. ISSN 1477-0539. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Zhang, Yongmin; Jiang, Jinlong; Chen, Yongqian (1 января 1987). Cp2TiCl2-Catalyzed reaction of grignard reagents with isocyanates, formation of carboxamide with rearranged carbonskeleton. Tetrahedron Letters. 28 (33): 3815–3816. doi:10.1016/S0040-4039(00)96392-5. ISSN 0040-4039. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Hendi, Shivakumar B.; Hendi, Mukta S.; Wolfe, James F. (1 января 1987). A New Synthesis of β-Keto Amides via Reaction of Ketone Lithium Enolates with Isocyanates. Synthetic Communications. 17 (1): 13–18. doi:10.1080/00397918708063898. ISSN 0039-7911. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Li, Wanfang; Zheng, Yan; Qu, Erdong; Bai, Jin; Deng, Qinyue (2021). β-Keto Amides: A Jack-of-All-Trades Building Block in Organic Chemistry. European Journal of Organic Chemistry. 2021 (37): 5151–5192. doi:10.1002/ejoc.202100692. ISSN 1099-0690. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Eaton, Philip E.; Wicks, Gene E. (1 октября 1988). Conversion of isocyanates to nitro compounds with dimethyldioxirane in wet acetone. The Journal of Organic Chemistry. 53 (22): 5353–5355. doi:10.1021/jo00257a030. ISSN 0022-3263. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Baldwin, Jack E.; Bottaro, Jeffrey C.; Riordan, Peter D.; Derome, Andrew E. (1 января 1982). A new method for the reduction of isocyanates to isocyanides. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (16): 942–943. doi:10.1039/C39820000942. ISSN 0022-4936. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Pace, Vittorio; de la Vega-Hernández, Karen; Urban, Ernst; Langer, Thierry (3 июня 2016). Chemoselective Schwartz Reagent Mediated Reduction of Isocyanates to Formamides. Organic Letters. 18 (11): 2750–2753. doi:10.1021/acs.orglett.6b01226. ISSN 1523-7060. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Ojima, Iwao; Inaba, Shinichi; Nagai, Yoichiro (1 января 1973). A novel route to formamides and their derivatives. Reduction of isocyanates via hydrosilylation catalyzed by palladium. Tetrahedron Letters. 14 (44): 4363–4366. doi:10.1016/S0040-4039(01)87223-3. ISSN 0040-4039. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Ojima, Iwao; Inaba, Shin-ichi (25 октября 1977). Reduction of isocyanates and carbodiimides via hydrosilylation. Journal of Organometallic Chemistry. 140 (1): 97–111. doi:10.1016/S0022-328X(00)84400-9. ISSN 0022-328X. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Kumar, Rohit; Sharma, Vishal; Banerjee, Subhrashis; Vanka, Kumar; Sen, Sakya S. (21 февраля 2023). Controlled reduction of isocyanates to formamides using monomeric magnesium. Chemical Communications. 59 (16): 2255–2258. doi:10.1039/D3CC00036B. ISSN 1364-548X. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Finholt, A. E.; Anderson, Charles Dean; Agre, C. L. (1 октября 1953). The Reduction of Isocyanates and Isothiocyanates with Lithium Aluminum Hydride. The Journal of Organic Chemistry. 18 (10): 1338–1340. doi:10.1021/jo50016a012. ISSN 0022-3263. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Nad, Pinaki; Kisan, Hemanta K.; Mukherjee, Arup (17 февраля 2025). Insight into the Metal-Free Reduction of Isocyanates to N-Methyl Anilines at Room Temperature. Chemistry, an Asian Journal. 20 (4): –202401070. doi:10.1002/asia.202401070. ISSN 1861-471X. PMID 39625108.
- ↑ Guo, Yunfei; Muuronen, Mikko; Lucas, Frédéric; Sijbesma, Rint P.; Tomović, Željko (2023). Catalysts for Isocyanate Cyclotrimerization. ChemCatChem. 15 (10): –202201362. doi:10.1002/cctc.202201362. ISSN 1867-3899. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ John Speziale, Lowell R. Smith. α-Chloroacetyl isocyanate Архивная копия от 12 января 2006 на Wayback Machine. Organic Syntheses, Coll. Vol. 5, p. 204 (1973); Vol. 46, p. 16 (1966).
- ↑ Katritzky, Alan R.; Christopher J. Moody, Otto Meth-Cohn, Charles Wayne Rees. Comprehensive Organic Functional Group Transformations: Synthesis: carbon with two attached heteroatoms with at least one carbon-to-heteroatom multiple link (англ.). — Elsevier, 1995. — P. 985—986. — ISBN 9780080423265.
- ↑ Martin, D.; A. Weise. Acid‐Catalysed Oxidation of Isocyanides with Dimethyl Sulfoxide (англ.) // Angewandte Chemie International Edition in English : journal. — 1967. — 1 February (vol. 6, no. 2). — P. 168—169. — ISSN 1521-3773. — doi:10.1002/anie.196701682.
- ↑ Hoang V. Le and Bruce Ganem. A Practical Synthesis of Isocyanates from Isonitriles: Ethyl 2-Isocyanatoacetate. Org. Synth. 2012, 89, 404-408 Архивная копия от 13 апреля 2021 на Wayback Machine DOI: 10.15227/orgsyn.089.0404
- ↑ Davidson, Nicola E.; Botting, Nigel P. (1 января 1997). Oxidation of Isothiocyanates to Isocyanates using Dimethyldioxirane; Relevance to Biological Activity of Isothiocyanates†. Journal of Chemical Research, Synopses (11): 410–411. doi:10.1039/A704356B. ISSN 1364-5560. Дата обращения: 12 марта 2025.
- ↑ Saylik, Dilek; Horvath, Michael J.; Elmes, Patricia S.; Jackson, W. Roy; Lovel, Craig G.; Moody, Keith (1 мая 1999). Preparation of Isocyanates from Primary Amines and Carbon Dioxide Using Mitsunobu Chemistry1. The Journal of Organic Chemistry. 64 (11): 3940–3946. doi:10.1021/jo982362j. ISSN 0022-3263. Дата обращения: 28 февраля 2025.
- ↑ Peerlings, H. W. I.; Meijer, E. W. (29 января 1999). A mild and convenient method for the preparation of multi-isocyanates starting from primary amines. Tetrahedron Letters. 40 (5): 1021–1024. doi:10.1016/S0040-4039(98)02515-5. ISSN 0040-4039. Дата обращения: 28 февраля 2025.
- ↑ DI-tert-BUTYL DICARBONATE. Organic Syntheses. 57: 45. 1977. doi:10.15227/orgsyn.057.0045. ISSN 23333553 00786209, 23333553. Дата обращения: 28 февраля 2025.
{{cite journal}}: Проверьте значение|issn=(справка)
 | |
|---|---|
| В библиографических каталогах |
You must be logged in to post a comment.