El papel y los mecanismos del cianuro de sodio en la síntesis orgánica

Introducción

Sodio (sal) Cianuro (NaCN), un sólido cristalino blanco altamente soluble en agua, es a la vez una base fuerte y un poderoso nucleófilo, lo que lo convierte en un reactivo valioso en Síntesis orgánica. A pesar de su extrema toxicidad, que requiere estrictas precauciones de seguridad durante su manipulación, Cianuro de sodio Desempeña un papel crucial en la síntesis de diversos compuestos orgánicos, incluidos productos farmacéuticos, agroquímicos y polímeros.

Papel del cianuro de sodio en la síntesis orgánica

El ion cianuro como nucleófilo

La cianuro ion dentro Cianuro de sodio Es un nucleófilo altamente reactivo. Gracias a la carga negativa del átomo de carbono y a la alta electronegatividad del átomo de nitrógeno, puede atacar centros electrófilos en moléculas orgánicas, como grupos carbonilo, haluros de alquilo y epóxidos.

Formación de enlaces C-C

Una de las funciones más importantes de cianuro de sodio En síntesis orgánica, la formación de nuevos enlaces carbono-carbono se logra mediante reacciones de sustitución y adición nucleófilas. Por ejemplo, cuando un haluro de alquilo reacciona con cianuro de sodio, el ion cianuro reemplaza al ion haluro, dando lugar a la formación de un nitrilo. Esta reacción proporciona una forma sencilla de introducir un átomo de carbono adicional en la molécula. Posteriormente, el grupo nitrilo puede transformarse en otros grupos funcionales, como ácidos carboxílicos, aminas o aldehídos, mediante diversos procesos químicos.

Síntesis de aminoácidos: la reacción de Strecker

El cianuro de sodio es un componente clave en la reacción de Strecker, que se utiliza para la síntesis de α-aminoácidos. En esta reacción, un aldehído o una cetona se combina con cloruro de amonio y cianuro de sodio para formar un α-aminonitrilo. Este α-aminonitrilo puede hidrolizarse posteriormente para producir el α-aminoácido correspondiente.

La reacción se desarrolla en varios pasos: primero, el grupo carbonilo del aldehído o cetona se protoniza, aumentando su electrofilicidad. A continuación, una molécula de amoníaco ataca el grupo carbonilo protonado, seguido de una desprotonación para formar un hemiaminal. A continuación, se protona el grupo hidroxilo del hemiaminal, lo que resulta en la eliminación de agua y la formación de un ion iminio. El ion cianuro ataca entonces al ion iminio para producir el α-aminonitrilo. Finalmente, la hidrólisis del α-aminonitrilo en presencia de un ácido o una base produce el α-aminoácido.

Síntesis de nitrilos a partir de haluros de arilo: reacción de Rosenmund-von Braun

En la reacción de Rosenmund-von Braun, se utiliza cianuro de sodio para convertir haluros de arilo, compuestos aromáticos sustituidos con halógeno, en arilnitrilos. Catalizada por cianuro de cobre(I), y que suele requerir altas temperaturas, esta reacción implica la formación de un intermedio de cobre-arilo. El ion cianuro del cianuro de sodio reacciona entonces con este intermedio para formar el arilnitrilo. Este proceso es importante para introducir un grupo funcional nitrilo en un anillo aromático, que puede modificarse posteriormente para la síntesis de diversos compuestos aromáticos, como productos farmacéuticos y colorantes.

Síntesis de compuestos carbonílicos

El cianuro de sodio también participa en la síntesis de compuestos carbonílicos. Por ejemplo, al reaccionar con un epóxido, el ion cianuro ataca el átomo de carbono menos sustituido del anillo epoxídico, provocando su apertura. La hidrólisis posterior de la cianhidrina resultante puede dar lugar a la formación de un compuesto carbonílico.

Mecanismos de reacciones que involucran cianuro de sodio

Reacciones de sustitución nucleófila

Mecanismo SN2Cuando el cianuro de sodio reacciona con haluros de alquilo primarios, la reacción suele seguir un mecanismo SN₂ (sustitución nucleófila bimolecular). El ion cianuro ataca al átomo de carbono unido al halógeno desde la parte posterior, en la posición opuesta a la del ion haluro saliente. Esta es una reacción coordinada donde la ruptura del enlace carbono-halógeno y la formación del enlace carbono-cianuro ocurren simultáneamente. La velocidad de reacción depende de las concentraciones tanto del haluro de alquilo como del ion cianuro, y la estereoquímica del producto se invierte en comparación con la del material de partida.

Mecanismo SN1Con haluros de alquilo terciarios, la reacción puede proceder mediante un mecanismo SN1 (sustitución nucleofílica unimolecular). Primero, el haluro de alquilo se disocia para formar un carbocatión intermedio. Posteriormente, el ion cianuro ataca este carbocatión para formar el producto. El mecanismo SN1 se caracteriza por la formación de un carbocatión intermedio planar, y el producto puede presentar una mezcla de estereoquímicas, un fenómeno conocido como racemización, debido al ataque del nucleófilo desde ambos lados del carbocatión planar.

Reacciones de adición nucleófila

Adición a grupos carboniloCuando el cianuro de sodio reacciona con aldehídos o cetonas, el ion cianuro se dirige al átomo de carbono carbonílico electrófilo. El grupo carbonilo presenta un enlace carbono-oxígeno polarizado, siendo el átomo de carbono el sitio electrófilo. El ataque del ion cianuro crea un nuevo enlace carbono-cianuro, y el átomo de oxígeno del grupo carbonilo adquiere una carga negativa. En el siguiente paso, una fuente de protones, como agua o un ácido, protona el átomo de oxígeno para formar cianhidrina. Esta reacción es reversible y el equilibrio puede ajustarse hacia el producto controlando las condiciones de reacción.

Adición a iminasEn la reacción de Strecker, la adición del ion cianuro al ion iminio, que se forma mediante la reacción de un aldehído o una cetona con amoníaco, sigue un mecanismo de adición nucleofílica similar. El ion iminio tiene una carga positiva en el átomo de nitrógeno, lo que hace que el átomo de carbono adyacente sea electrofílico. El ion cianuro ataca a este átomo de carbono, formando un nuevo enlace carbono-cianuro y dando como resultado la formación de un α-aminonitrilo.

Consideraciones de seguridad

Es fundamental destacar que el cianuro de sodio es extremadamente tóxico. Su inhalación, ingestión o contacto con la piel puede ser mortal. Al trabajar con cianuro de sodio, se deben seguir estrictos protocolos de seguridad. Esto incluye realizar experimentos en una campana extractora bien ventilada, usar equipo de protección personal adecuado, como guantes, gafas protectoras y bata de laboratorio, y contar con planes de respuesta ante emergencias en caso de exposición accidental.

Conclusión

El cianuro de sodio es un reactivo potente y versátil en la síntesis orgánica. Su capacidad para actuar como nucleófilo y crear nuevos enlaces carbono-carbono lo convierte en una herramienta indispensable para los químicos en la síntesis de una amplia gama de compuestos orgánicos. Comprender los mecanismos de reacción que involucran al cianuro de sodio es esencial para diseñar rutas sintéticas eficientes y predecir los resultados de las reacciones. Sin embargo, debido a su alta toxicidad, su uso debe regularse cuidadosamente y llevarse a cabo con las máximas precauciones de seguridad para proteger el bienestar de los químicos y el medio ambiente.