Изоцианаты — органические соединения, содержащие функциональную группу −N=C=O. Большинство представляют собой бесцветные токсичные жидкости с резким запахом или кристаллические вещества.
Реакционная способность
Реакции с нуклеофилами Изоцианаты, будучи гетерокумуленами, являются активными электрофильными реагентами и реагируют с нуклеофилами по общей схеме: R-N=C=O + NuH -> RNH-CO-Nu В случае пристутствия в нуклеофильной молекуле двух нуклеофильных центров направление реакции зависит от жёсткости/мягкости нуклеофильного центра реагента и электроотрицательности изоцианата. Так, при взаимодействии с ацетилацетоном электрондефицитных вследствие индуктивного эффекта тригалогенацетильной группы трихлорацетил- и трифторацетилизоцианатов реакция идёт по жёсткому кислородному центру с образованием O-аддукта в то время как фенилизоцианат даёт смесь O- и C-аддуктов.
Реакции с N-нуклеофилами При взаимодействии с первичными и вторичными аминами они образуют замещённые мочевины: R-N=C=O + R2NH -> RNH-CO-NR2 Взаимодействие иминофосфоранов с изоцианатами по типу реакции Виттига является одним из методов синтеза карбодиимидов: R-N=P-Ph3 + R'NCO -> R'-N=CN-R + Ph3P=O
Изоцианаты также реагируют с амидами карбоновых кислот, образуя ацилмочевины, однако, из-за пониженной нуклеофильности азота амидов взаимодействие идёт в более жёстких, по сравнению с аминами условиях и в ряде случаев осложняется образованием побочных продуктов: R^1-N=C=O + RCONH2 -> R^1-NHCONH-COR
Реакции с O- и S-нуклеофилами При взаимодействии со спиртами и тиолами — карбаматы (уретаны) и тиокарбаматы: R-N=C=O + RXH -> RNH-CO-XR X = O, S
Изоцианаты гидролизуются водой до аминов и углекислоты: R-N=C=O + H2O -> R-NH2 + CO2
При нагреве арилизоцианатов с карбоновыми кислотами в диметилсульфоксиде сначала образуются нестабильные смешанные ангидриды, которые затем отщепляют CO2 с образованием N-замещённых амидов, побочной реакцией является образование ангидрида карбоновой кислоты, в которой изоцианат выступает в роли дегидратирующего агента: R-N=C=O + R^1COOH -> R-NH-CO-O-COR^1 R-NH-CO-O-CORR^1 -> R^1CONHR + CO2 В реакцию с изоцианатами также вступают триалкиламмониевые соли карбоновых кислот, в этом случае реакция идёт в растворе диметилформамида при комнатной температуре и даёт хорошие выходы N-замещённых амидов алифатических, ароматических и гетероароматических кислот.
Реакции с C-нуклеофилами Изоцианаты и изотиоцианаты реагируют с реагентами Гриньяра и литийорганическими соединениями с образованием N-замещённых амидов карбоновых кислот, R-N=C=X + R^1M -> R^1CXNHR X = O, S, M = Li, MgHal при использовании в качестве катализатора Cp2TiCl2 взаимодействие алкилмагнийорганических соединений может идти с перестройкой углеродного скелета: R-CH(CH3)MgBr + PhNCO ->[\ce{Cp2TiCl2}] RCH2CH2CONHPh Изоцианаты ацилируют еноляты кетонов и енамины, эта реакция используется как препаративный метод синтеза амидов β-кетокислот (β-кетоамидов): R^1-N=C=O + R^2-CH=C(X)R^3 -> R^3-CO-CHR^2-CONHR^1 X = OLi, ONa, NR2
Реакции с P-нуклеофилами Изоцианаты реагируют с фосфорорганичесими соединениями, содержащими связь P-H с образованием карбамоилпроизводных P-CONHR.
Фосфин реагирует с арилизоцианатами в мягких условиях (комнатная температура, давление 2-4 атм) с образованием трикарбамоилфосфинов, выходы увеличиваются с ростом электрондефицитности изоцианата (13 % для фенил-, 55 % для p-хлорфенил- и 100 % для p-нитрофенилизоцианата): 3 Ar-N=C=O + PH3 -> (ArNHCO)3P Аналогично изоцианаты (и изотиоцианаты) реагируют и с первичными и вторичными фосфинами — с образованием соответствующих карбоксамидов, выходы при этом могут достигать 99 %: R^1-N=C=O + R2PH -> R^1NHCOPR2, а также с оксидами вторичных фосфинов и диалкилфосфитами: R^1-N=C=O + R2P(O)H -> R^1NHOCP(O)R2 R^1-N=C=O + (RO)2P(O)H -> R^1NHOCP(O)(OR)2
Триалкилфосфиты P(OR)3, не содержащие связи P-H, восстанавливают изоцианаты до изонитрилов, выходы при этом от низких для ароматических изоцианатов до средних для алифатических изоцианатов.
Триалкил- и триарилфосфины в реакцию с изоцианатами не вступают (но, при этом, катализируют димеризацию изоцианатов в уретдионы) из-за нестабильности фосфониевого цвиттер-иона R3P+C(N=R)O-, являющегося продуктом такого взаимодействия. Однако в случае взаимодействия изоцианатов с соединениями, являющимися внутримолекулярными — в частности, содержащими фосфиновый и борановый фрагменты в гем- или виц-положениях, промежуточный фосфониевый цвиттер-ион «перехватывается» борановым фрагментом с переносом отрицательного заряда на атом бора и образованием стабильного пяти- или шестичленного цвиттер-иона.
Окисление и восстановление Изоцианатизоцианаты во влажном ацетоне с хорошими выходами окисляются диметилдиоксираном до нитросоединений: RNCO ->[\ce{[O]}] RNO2
Исчерпывающее восстановление изоцианатов сопровождается расщеплением связи N=C и ведёт к образованию соответствующих аминов, однако выбором соответствующего восстановителя изоцианаты могут быть восстановлены с сохранением связи углерод-азот с образованием изонитрилов, N-замещённых формамидов и метиламинов.
До изонитрилов изоцианаты могут быть восстановлены замещёнными силанами, в частности комплексом трихлорсилана с триэтиламином или дифенил-трет-бутилсилиллитием: RNCO ->[\ce{[H]}] R-N+ #C-
Восстановление изонитрилов до N-замещённых формамидов идёт под действием алкоксиалюмогидридов лития при катализе (выходы до 95 %, нитро- и нитрильные группы не затрагиваются), триалкилсиланами при катализе хлоридом палладия или пинаколборана с катализом комплексами магния (с образованием N-борилформамидов, которые далее гидролизуются): RNCO ->[\ce{[H]}] R-NH-CHO
Восстановление изоцианатов и изотиоцианатов алюмогидридом лития в эфире или бораном аммиака при катализе BF3.OEt2 ведёт к восстановлению карбонильной группы изоцианата до метильной группы с образованием соответствующих метиламинов: RNCO ->[\ce{[H]}] R-NH-CH3
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.).
Взаимодействие изоцианатов с N-замещёнными азиридинами при катализе йодидом никеля ведёт к [3+2] присоединению с образованием с хорошими иминооксазолидинов, которые в условиях реакции изомеризуются в имидазолидиноны.
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: RNH2 ->[\ce{COCl2}][-\ce{HCl}] RNHCOCl ->[][-\ce{HCl}] RNCO 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): H2N-R-NH2 + COCl2 -> OCN-R-NH2.HCl Синтез диизоцианата фосгенированием гидрохлорида аминоизоцианата при относительно высокой температуре (горячее фосгенирование): OCN-R-NH2.HCl + COCl2 -> OCN-R-NCO + 2 HCl
Другой метод синтеза изоцианатов, использующийся в промышленности — термическое разложение карбаматов: R'-NH-COOR -> R'NCO + ROH
Карбаматы, в свою очередь, могут быть получены реакцией соответствующего амина с мочевиной и спиртом: R'-NH2 + (NH2)2CO + ROH -> R'-NH-COOR + 2 NH3
либо взаимодействием амина с диалкилкарбонатами: R'-NH2 + (RO)2CO -> R'-NH-COOR + ROH
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: RNH2 + (COCl)2 -> RNCO + CO + 2 HCl
Таким образом могут быть синтезированы как ацилизоцианаты, 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:
Реакция Гофмана: RCONH2 + Hal2 -> RCONHHal -> RNCO + HHal
Реакция Курциуса: RCOCl + NaN3 -> RCON3 -> RNCO + N2
Перегруппировка Лоссена: RC(O)-NH-OR' + OH- -> R'NCO + RCOO-
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: RO-CH=CH2 + HNCO -> RO-CH(CH3)-N=C=O
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).
Прочие методы Изонитрилы окисляются до изоцианатов под действием разнообразных окислителей — оксида ртути(II), диметилсульфоксида и т. д., окисление диметилсульфоксидом используется как препаративный метод синтеза R-N#C ->[\ce{[O]}] RNCO Изотиоцианаты с хорошими выходами окисляются диметилдиоксираном а ацетоне до изоцианатов: R-N=C=S ->[\ce{[O]}] RNCO Амины взаимодействуют с диоксидом углегода условиях реакции Мицунобу с образованием изоцианатов, движущей силой реакции являетяс образование фосфиноксида: R'NH2 + CO2 + AlkO2C-N(P+R3)-N- -CO2Alk -> R'NCO + AlkO2C-NH-NH-CO2Alk + R3P=O Реакция аминов с ди-трет-бутилтрикарбонатом идёт в мягких условиях и даёт изоцианаты с хорошими выходами, преимуществом этого метода является лёгкость синтеза и доступность ди-трет-бутилтрикарбоната, являющегося промежуточным продуктом в синтезе ди-трет-бутилдикарбоната — реагента для Boc-защиты аминогрупп: RNH2 ->[{t-BuO(COO)3Bu-t}] RNCO
Применение Основное промышленное применение изоцианатов — использование их в сочетании с многоатомными спиртами для дальнейшего синтеза полиуретанов. Метилизоцианат используется в синтезе пестицидов.
Объём 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 Метилендифенилдиизоцианат Толуилендиизоцианат
Литература
Примечания
Категория:Соединения азота по алфавиту