ニトリル

実験室規模の反応では、 2種類の塩メタセシス反応がよく用いられる。コルベニトリル合成では、アルキルハライドがアルカリ金属シアン化物との求核脂肪族置換反応を起こす。アリールニトリルは、ローゼンムント・フォン・ブラウン合成で合成される。

一般的に、金属シアン化物はアルキルハライドと反応してニトリルとイソニトリルの混合物を生成するが、適切な対イオンと温度を選択することで後者を最小限に抑えることができる。アルキル硫酸塩は、特に非水系条件下（ペルーズ合成）では、この問題を完全に回避する。 ^{[ 5 ]}

コルベニトリル合成（求核置換反応）では、反応性の高いハロゲン化炭化水素とアルカリシアン化物（シアン化ナトリウムまたはシアン化カリウム）からアルカノニトリルとアルカリハライドが生成します。この反応は、第一級、アリル、ベンジルハライドに特に適しています。第二級アルキルハライドでは収率が低く、第三級ハライドでは置換反応ではなく脱離反応のみが発生します。ハライドに加えて、他の良好な脱離基を有する基質も使用できます。アルカリシアン化物とは対照的に、シアン化銀はイソニトリルを優先的に生成するため、ニトリル合成には適していません。^{[ 21 ]}コルベニトリル合成の一例として、ヨウ化メチルとシアン化ナトリウムの反応によりアセトニトリルとヨウ化ナトリウムが生成することが挙げられます。^{[ 22 ]}

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}I+NaCN\longrightarrow CH_{3}CN+NaI} }$

同様に、1,3-ジブロモプロパンはシアン化ナトリウムと反応してグルタロニトリルを生成し、 [ ^{23 ] 1-}ヨードオクタンはシアン化カリウムと反応してノナニトリルを生成する。^{[ 24 ]}シアン化は、シアン化水素とトリエチルアルミニウムまたはジエチルアルミニウムシアニドを組み合わせて行うこともできる。たとえば、エポキシドのβ-シアノヒドリンへの開環、またはエノンへのシアン化物の1,4-付加の場合などである。^{[ 25 ] [ 26 ]}トリメチルシリルシアニドは、エポキシドをβ-シアノヒドリンに開環し、同時に酸素原子をシリル化できる別のシアニ化試薬である。^{[ 27 ]}トリメチルシリルシアニドは、コルベニトリル合成条件下では不可能な第三級アルキルハライドの置換も可能にする。^{[ 21 ]}

適切な遷移金属触媒の存在下では、ヒドロシアン化によりアルケンやアルキンの多重結合にシアン化水素が付加され、ニトリルが得られる。ニッケル触媒が一般的に用いられる。アセトンシアノヒドリンやイソバレロニトリルなどの合成等価物が使用できるため、シアン化水素を直接扱う必要がない場合が多い。 ^{[ 28 ]}重要な工業プロセスは、ブタジエンのヒドロシアン化によるアジポニトリルの生成である。^{[ 13 ]}

ヒドロシアン化は、シアン化水素とアルケンからニトリルを製造する工業的方法である。このプロセスには均一系触媒が必要である。ヒドロシアン化の一例として、 1,3-ブタジエンからナイロン-6,6の前駆体であるアジポニトリルを製造することが挙げられる。

CH ₂ =CH−CH=CH ₂ + 2 HC≡N → NC(CH ₂ ) ₄ C≡N

ニトリルは、第一級アミドの脱水によって調製することができる。このための一般的な試薬には、五酸化リン（P ₂ O ₅）^{[ 29 ]}と塩化チオニル（SOCl _{2 ）} ^{[ 30 ]}がある。関連する脱水反応では、第二級アミドはフォン・ブラウンアミド分解によってニトリルを生成する。この場合、1つのCN結合が切断される。

具体的には、カルボキサミドとオキシムは脱水（水の除去）によってニトリルに変換できます。この変換には多数の試薬と方法が利用可能です。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}ニトロアルカンの脱水によるニトリル合成法も報告されています。^{[ 34 ]}

19 世紀半ばから知られている五酸化リンは、アミド脱水のための古典的な試薬です。 ^{[ 31 ]}アミドは、三塩化リンや亜リン酸トリフェニルなどの三価リン試薬^{[ 33 ]}、ジエチルクロロホスフェート^{[ 35 ]} 、塩化チオニル^{[ 36 ]}、またはホスゲン^{[ 37 ]}を使用して脱水することもできます。特定のパラジウム錯体またはその他の適切な触媒の存在下では、アセトニトリルは脱水剤として機能し、アミドをニトリルに変換すると同時にアセトアミドに変換されます。同様に、ジクロロアセトニトリルも使用できます。^{[ 38 ] [ 39 ]}関連するシステムでは、触媒として塩化鉄(II)四水和物、トリフルオロメタンスルホン酸亜鉛、または硝酸ウラニルを、脱水剤としてN-メチル-N-トリメチルシリルトリフルオロアセトアミドと組み合わせて使用​​する。 ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}カルボン酸アミドは、トリフェニルホスファン、ヨウ素、および4-メチルモルホリンを含むシステムを使用して脱水することもできる。^{[ 43 ]}別のアプローチでは、ヘキサメチルホスホルアミド(HMPA)中での高温脱水(220～240  ℃)を使用する。 ^{[ 44 ]}塩化亜鉛による第一級アミドのマイクロ波下での脱水は可逆的である。水性アセトニトリル中では、アミドはニトリルに変換されるが、アセトアミドを添加した水-テトラヒドロフラン系では、ニトリルからアミドへの逆変換が起こる。^{[ 45 ]}

カルボキサミドとアルドキシムはどちらもアセトニトリル中で塩化アルミニウムとヨウ化ナトリウムを用いて脱水することができる。^{[ 32 ]}同様に、両方のクラスは、スワーン酸化に類似した反応で、塩化オキサリルと触媒量のジメチルスルホキシドを用いて脱水することができる。^{[ 46 ]} 7価レニウム種（過レニウム酸またはトリメチルシリル過レニウム酸塩）の触媒作用によるニトリルへの変換は、アミドとアルドキシムの両方に有効であり、生成した水は共沸蒸留によって除去することができる。^{[ 47 ]}

アルデヒドからアルドキシムを経由してニトリルへの変換は、実験室でよく用いられる方法です。アルデヒドはヒドロキシルアミン塩と容易に反応し、場合によっては室温程度の低温でもアルドキシムを生成します。これらは単純な加熱によってニトリルに脱水できますが、^{[ 48 ]}トリエチルアミン/二酸化硫黄、ゼオライト、塩化スルホニルなど、さまざまな試薬がこの反応を促進する可能性があります。関連するヒドロキシルアミン-O-スルホン酸も同様に反応します。^{[ 49 ]}

特殊なケースでは、ファン・ルーゼン反応を用いることができる。脂肪族アルドキシム脱水酵素などの生体触媒も有効である。

アルドキシムは、シアヌル酸クロリド^{[ 50 ]}、バージェス試薬^{[ 51 ]}、またはトリフルオロメタンスルホン酸無水物とトリフェニルホスフィンの組み合わせ（後者はトリフェニルホスフィンオキシドに酸化される） ^{[ 52 ]}によって脱水することもできる。同様に、触媒的脱水素も可能であり、例えば、トリフルオロメタンスルホン酸鉄(III) ^{[ 53 ]}、酢酸銅(II) ^{[ 54 ]}、スズとタングステンの混合水酸化物^{[ 55 ]}、または二金属パラジウム-マンガン触媒^{[ 56 ]}などが挙げられる。アルドキシム脱水酵素を用いたアルドキシムの酵素的脱水も達成されている。これらの細菌酵素（Pseudomonas chlororaphis由来のものを含む）は、ニトリル合成に繰り返し応用されている^{[ 57 ] 。}

アルデヒドは塩酸ヒドロキシルアミンを用いてオキシムに変換し、その後脱水してニトリルにすることができる（例えば、塩化オキサリルを用いる）。^{[ 58 ]}アルデヒドをニトリルに直接変換することも、ヒドロキシルアミン-O-スルホン酸^{[ 59 ]}またはO- (4-トリフルオロメチルベンゾイル)ヒドロキシルアミン^{[ 60 ]}を用いて可能である。このような変換は、触媒として塩化チタン(IV)または混合スズ-タングステン水酸化物の存在下でヒドロキシルアミンを用いて行うこともできる^{[ 55 ] [ 61 ]} 、またはフッ化スルホニルまたは二酸化セレンを添加することによっても行うことができる^{[ 62 ] [ 63 ]}。トシルメチルイソシアニド（ファン・ルーゼン試薬）は、ファン・ルーゼン反応を介してケトンをニトリルに直接変換することを可能にし、ニトリル基全体を導入し、したがって追加の炭素原子を導入する^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] 。}

アミン酸化によるニトリル製造には数多くの従来法が存在する。^{[ 67 ]}一般的な方法としては、過硫酸カリウム の使用^{[ 68 ]} 、トリクロロイソシアヌル酸の使用^{[ 69 ]}、または陽極電気合成^{[ 70 ]}などがある。さらに、過去数十年の間に、電気化学プロセス 向けのいくつかの選択的方法が開発されてきた。^{[ 71 ]}

いくつかの手順では、触媒酸化剤としてTEMPOや4-アセトアミド-TEMPOなどのニトロキシルラジカルが用いられています。これらの触媒は、化学量論的酸化剤として過硫酸カリウムを用いるか、印加電位下で電気化学的に再生することができます。 ^{[ 72 ] [ 73 ]}別のアプローチでは、触媒として塩化銅(I)または塩化銅(II)、化学量論的酸化剤として分子状酸素、生成した水を除去するために分子ふるいが用いられています。 ^{[ 74 ]}

アンモ酸化では、炭化水素はアンモニアの存在下で部分的に酸化されます。この変換はアクリロニトリルに対して大規模に行われています: ^{[ 75 ]}

2CH3CH = _CH2 + 3O2 + _{2NH3 →} 2N≡CCH = _{CH2 +} 6H2O​_​

アクリロニトリルの製造において、アセトニトリルは副生成物として生成する。工業規模では、ベンゾニトリル、フタロニトリル、イソブチロニトリルのいくつかの誘導体がアンモ酸化によって製造される。このプロセスは金属酸化物によって触媒され、イミンを経由して進行すると考えられている。

アンモ酸化は、脂肪族またはメチル置換芳香族化合物が酸素（空気）およびアンモニアと反応してニトリルを生成し、副生成物として水を生成する、不均一触媒気相反応です。反応温度は 300  °C を超え、バナジウム、クロム、またはモリブデンの酸化物が触媒として機能します。^{[ 76 ]}ポリマー製造の重要な前駆体であるアクリロニトリル（用途の項を参照）は、主にプロペンのアンモ酸化によって製造されます。^{[ 14 ]}シアン化水素の主な工業的ルートは、アンドルソフ法、すなわち白金触媒上でのメタンのアンモ酸化です。しかし、世界のシアン化水素生産のかなりの部分は、アクリロニトリル製造の副産物として発生します。^{[ 77 ]}

アリールニトリルは、ジアゾニウム塩とシアン化銅(I)のサンドマイヤー反応^{[ 78 ]}、またはローゼンムント・フォン・ブラウン反応（臭化アリールとシアン化銅(I)の直接反応）^{[ 79 ]}によって合成できる。チオシアネートと芳香族カルボン酸の変換は、レッツニトリル合成として知られており、チオシアネートカリウムを使用して行うことができる。チオシアネート鉛は一般的に高い収率をもたらす。^{[ 8 ]}

アリールヨージドは、トリメチルシリルシアニドを用いたパラジウム触媒反応により芳香族ニトリルに変換できる。例えば、ヨードベンゼンはテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0) (Pd(PPh 3 ) 4 ) の存在下でトリメチルシリルシアニドと反応してベンゾニトリルを生成する。[ 80 ] パラジウム触媒を用いた別の経路 (これも Pd(PPh ₃ ) ₄を使用)は、^{芳香族アシルシアニド}の_脱カルボニル_化である。 [ 81 ^{]同様に、アリールクロリドのシアン化カリウム[ 82 ]}またはヘキサシアニド鉄(II)カリウム^{[ 83 ]}を用いたパラジウム触媒によるシアノ化も報告されている。キノンはトリメチルシリルシアニドと反応してシリル化シアノヒドリンを生成し、その後三臭化リンを用いて芳香族化される。^{[ 84 ]}さらに別の方法として、アリールグリニャール試薬またはアリールリチウム試薬とジメチルマロニトリルとの反応がある。^{[ 85 ]}

芳香族ニトリルは、実験室ではしばしばジアゾニウム化合物を介してアニリンから合成される。これはサンドマイヤー反応である。遷移金属シアン化物が必要である。^{[ 86 ]}

ArN + 2 + CuC≡N → ArC≡N + N ₂ + Cu ⁺

シアノヒドリンはニトリルの特殊なクラスです。従来、シアノヒドリン反応においてアルカリ金属シアン化物をアルデヒドに付加することによって生成されます。有機カルボニルの極性のため、この反応はアルケンのヒドロシアン化とは異なり、触媒を必要としません。O-シリルシアノヒドリンは、触媒の存在下でトリメチルシリルシアニドを付加することによって生成されます（シリルシアノ化）。シアノヒドリンは、例えばアセトンシアノヒドリンをHCN源として出発物質とするトランスシアノヒドリン反応によっても調製されます。^{[ 87 ]}

シアノヒドリンは、酢酸の存在下でアルカリシアン化物をアルデヒドまたはケトンに添加することによっても調製できます。反応性の低い基質の場合、ジエチルアルミニウムシアニドが適切な代替手段となります。別のアプローチはトランスヒドロシアノ化であり、アセトンシアノヒドリンからアルデヒドまたはケトンにシアン化水素が転移されます。 ^{[ 11 ]}この変換に適した触媒には、イソプロポキシドランタン(III)、イソプロポキシドセリウム(III)、イソプロポキシドサマリウム( III) 、イソプロポキシドイッテルビウム(III)などのランタニドアルコキシドが含まれます。^{[ 88 ]}

アルデヒドまたはケトンにトリメチルシリルシアニドを付加すると、それらのトリメチルシリルエーテルとしてシアノヒドリンが得られる。 ^{[ 89 ] [ 90 ]}適切な触媒としては、ヨウ化亜鉛、 18-クラウン-6と組み合わせたシアン化カリウム、またはイッテルビウム(III)シアン化物などが挙げられる。^{[ 11 ]}適切な条件下では、このような反応はエナンチオ選択的になる。キラルサレン型配位子を有するバナジウムまたはチタンベースの触媒が適しており、テトライソプロピルオルトチタン酸塩とキラルイミンの組み合わせも適している。^{[ 91 ] [ 92 ]}

アシルシアニド（α-オキソニトリル）は、場合によってはカルボン酸ハライドと遷移金属シアン化物（例えば、シアン化銅またはシアン化銀）を反応させることで調製できます。この方法は、芳香族カルボン酸ハライドと脂肪族アシルブロミドに特に有効ですが、脂肪族アシルクロリドは反応しません。脂肪族アシルシアニドは、代わりにカルボン酸クロリドとトリメチルシリルシアニドを反応させることで合成できます。^{[ 93 ]}

キラルプール出発物質を使用することで、エナンチオ選択的合成により、ビルダグリプチンやサクサグリプチンなどのエウトマー形態のα-キラルニトリル含有化合物へのアクセスが可能になります。従来の変換によりニトリル官能基を導入できます。たとえば、天然のエナンチオピュアプロリンから誘導されたエナンチオピュアなアミドまたはオキシムを脱水することができます。このような戦略の適用可能性は、特定のターゲット分子に依存します。不斉シアノ化反応も確立されています。^{[ 94 ]}特に重要なのは、カルボニル化合物の不斉ヒドロシアノ化です（シアノヒドリン調製のセクションを参照）。さらに、イミンの多数の不斉ヒドロシアノ化が開発され、エナンチオピュアなα-アミノニトリルが得られます。^{[ 92 ]}

• シアン化物基の市販品としては、トリエチルアルミニウムとHCNから合成できるジエチルアルミニウム_シアニド（Et₂AlCN ）が挙げられる。^{[ 95 ]}これはケトンへの求核付加反応に用いられてきた。^{[ 96 ]}使用例については、桑島タキソール全合成を参照のこと。
• シアン化物イオンはジブロミドのカップリングを促進する。α,α′-ジブロモアジピン酸とエタノール中のシアン化ナトリウムとの反応によりシアノシクロブタンが生成する：^{[ 97 ]}

  

• 芳香族ニトリルは、Houben-Fischer合成^{[ 98 ]}において、トリクロロメチルアリールケチミン( RC(CCl3 ₎ =NH )の塩基加水分解によって調製することができる。
• α-アミノ酸は、様々な酸化的脱炭酸反応によってニトリルと二酸化炭素を生成する。^{[ 99 ] [ 100 ]}ヘンリー・ドライスデール・デイキンは1916年にこの酸化反応を発見した。^{[ 101 ]}
• アリールカルボン酸から（レッツニトリル合成）
• カルボシアノ化により、多重結合にニトリル基を付加してさらにニトリルを生成することができる。アリールニトリルは、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル(0)とトリメチルホスフィンの触媒作用によりアルキンに付加され、α,β-不飽和ニトリルが得られる。反応条件の変更、例えば異なるホスフィンを使用したり、トリメチルアルミニウムやトリフェニルボランなどのフラストレートルイスペアを付加したりすることで、飽和ニトリルとα,β-不飽和ニトリルの両方を含む非芳香族ニトリルの付加が可能になる。^{[ 102 ]}ヘキサブチルジスタンナンとトシルシアニドをシアン化物源として使用し、ニトリル基を導入しながら2つの分子を結合させるカルボシアノ化反応も知られている。 ^{[ 103 ]}
• カルボン酸は、200 °Cのアセトニトリル中で塩化インジウム(III)と反応させることにより、対応するニトリルに変換できます。このプロセスでは、アセトニトリルは溶媒と窒素源の両方として機能し、酢酸に変換されます。反応は、複数のMumm 転位を経て進行します。^{[ 104 ]}アルコールは、アセトンシアノヒドリンの存在下でシアノメチリデントリメチルホスホランを使用する光延反応によりニトリルに変換できます。 ^{[ 105 ]} N-アルキルアミドは、五塩化リンを使用したフォンブラウン分解によりニトリルに変換できます。^{[ 106 ]}代替試薬には、五臭化リンと臭化カルボニルがあります。^{[ 107 ]} 

ニトリルRCNの加水分解は、酸または塩基処理下で明確な段階を経て進行し、まずカルボキサミドRC(O)NH₂_を生成し、次にカルボン酸RC(O)OHを生成する。ニトリルからカルボン酸への加水分解は効率的である。酸または塩基における平衡反応式は以下のとおりである。

RC≡N + 2 H ₂ O + HCl → RC(O)OH + NH ₄ Cl

RC≡N + H ₂ O + NaOH → RC(O)ONa + NH ₃

厳密に言えば、これらの反応は酸または塩基によって媒介される（触媒されるのではなく）ものであり、それぞれアンモニウム塩またはカルボン酸塩を生成するために、酸または塩基の1当量が消費される。

速度論的研究によると、アセトニトリルからアセトアミドへの水酸化物イオン触媒加水分解の二次速度定数は1.6 × 10である。⁻⁶  M ⁻¹  s ⁻¹であり、これはアミドからカルボキシレートへの加水分解 (7.4 × 10 )よりも遅い。⁻⁵  M ⁻¹  s ⁻¹ )。したがって、塩基加水分解経路ではカルボキシレート（またはカルボキシレートで汚染されたアミド）が得られます。一方、酸触媒反応では、加水分解の発熱性によって促進されるポリマーの形成を避けるために、温度と試薬の比率を注意深く制御する必要があります。 ^{[ 108 ]}ニトリルを対応する第一級アミドに変換する古典的な手順では、ニトリルを冷たい濃硫酸に加えます。 ^{[ 109 ]}低温と低濃度の水によって、カルボン酸へのさらなる変換は不利になります。

RC≡N + H₂O _→ RC(O) _NH₂

ニトリルの加水分解を触媒する酵素は2つのファミリーに分けられる。 ニトリラーゼはニトリルを加水分解してカルボン酸を生成する。

RC≡N + 2H ₂ O → RC(O)OH + NH ₃

ニトリルヒドラターゼは、ニトリルを加水分解してアミドを生成する金属酵素である。

RC≡N + H₂O _→ RC(O) _NH₂

これらの酵素は、アクリルアミドの製造に商業的に利用されている。

ニトリルのアミドへの「無水水和」は、オキシムを水源として使用して実証されている。^{[ 110 ]}

RC≡N + R'C(H)=NOH → RC(O)NH ₂ + R'C≡N

ニトリルは、さまざまな金属触媒上で水素化されやすい。反応条件によっては、第一級アミン（ RCH ₂ NH ₂）または第三級アミン（（RCH ₂）₃ N ）のいずれかが得られる。 ^{[ 111 ]}従来の有機還元では、ニトリルは水素化アルミニウムリチウムで処理してアミンに還元される。ステファンアルデヒド合成では、酸中で塩化第一スズを使用し、イミンへの還元とそれに続く加水分解によってアルデヒドが得られる。

アルキルニトリルは、 C≡N基に隣接する CH 結合の脱プロトン化を起こすのに十分な酸性度を持つ。^{[ 112 ] [ 113 ]}ジイソプロピルアミドリチウムやブチルリチウムなどの強塩基が必要である。生成物はニトリルアニオンと呼ばれる。これらのカルバニオンは、さまざまな求電子剤をアルキル化する。優れた求核性の鍵は、C≡Nユニットの立体障害が小さいことと、その誘導安定化にある。これらの特徴により、ニトリルは立体的にかさ高い環境で新しい炭素-炭素結合を作るのに理想的である。

ニトリルの炭素中心は求電子性であるため、求核付加反応を起こしやすい。

• 有機亜鉛化合物を用いたブレイズ反応
• ピナー反応におけるアルコールとの反応。
• アミン類との反応、例えばアミンサルコシンとシアナミドの反応によりクレアチンが生成される^{[ 114 ]。}
• ホーベン・ホーシュ反応において、アレーンと反応してイミン中間体を経てケトンを生成する。
• ムーロー・ミニョナックケチミン合成では、グリニャール試薬を用いて第一級ケチミンを形成する。 ^{[ 115 ]}古典的なグリニャール反応ではないが、より広い現代的な定義の下ではグリニャール反応とみなされる可能性がある。

• 還元脱シアン化では、ニトリル基がプロトンに置き換えられます。^{[ 116 ]}脱シアン化は、金属還元剤（例えば、tert-ブタノール中のHMPAとカリウム金属）を溶解するか、ニトリルをKOHに溶解することによって達成できます。^{[ 117 ]}同様に、α-アミノニトリルは、水素化アルミニウムリチウムなどの他の還元剤で脱シアン化できます。^{[ 116 ]}
• いわゆるフランシモン反応（ベルギーの博士課程学生アントワーヌ・ポール・ニコラ・フランシモン（1844-1919）が1872年に開発）では、α-シアノカルボン酸を酸中で加熱すると、加水分解と脱炭酸により二量体になる。^{[ 118 ]}
• ニトリルは、ソープ反応において塩基の存在下で自己反応し、求核付加反応を起こす。
• 有機金属化学では、ニトリルはカルボシアノ化においてアルキンに付加することが知られている: ^{[ 119 ]}

ニトリルは、試薬や触媒となる遷移金属ニトリル錯体の前駆体である。例としては、テトラキス(アセトニトリル)銅(I)ヘキサフルオロリン酸塩( [ Cu(MeCN) ₄ ] ⁺ )やビス(ベンゾニトリル)パラジウムジクロリド( PdCl2 (PhCN) ₂ )など_{が挙げられる。} ^{[ 120 ]}

Cyanamides are N-cyano compounds with general structure R¹R²N−C≡N and related to the parent cyanamide.^[131]

Nitrile oxides have the chemical formulaRCNO. Their general structure is R−C≡N⁺−O⁻. The R stands for any group (typically organyl, e.g., acetonitrile oxide CH₃−C≡N⁺−O⁻, hydrogen in the case of fulminic acidH−C≡N⁺−O⁻, or halogen (e.g., chloroformonitrile oxideCl−C≡N⁺−O⁻).^{[132]:1187–1192}

ニトリルオキシドはニトリルとは全く異なり、ニトリルの直接酸化からは生成しません。^{[ 133 ]} 代わりに、ニトロアルカンの脱水、オキシムの脱水素^{[ 134 ] : 934–936}、または塩基中でのハロオキシムの脱離^{[ 135 ] [ 136 ]}によって合成できます。これらは、イソオキサゾール^{[ 134 ] : 1201–1202}などへの1,3-双極子環化付加^{[ 132 ] : 1187–1192} において非常に反応性が高く、イソシアネートへのI型ダイオトロピック転位を起こします。^{[ 132 ] : 1700} 

より重いニトリルスルフィドは非常に反応性が高く稀ですが、オキサチアゾロンの熱分解中に一時的に生成します。これらはニトリルオキシドと同様に反応します。^{[ 137 ]}

植物には、二次代謝産物として多数のニトリルが存在する。

トウダイグサ（Ricinus communis ）には、毒性の強いタンパク質リシンに加えて、ニトリル官能基を含むアルカロイドのリシニンが存在する。 ^{[ 140 ]}構造的に密接に関連するヌディフロリンは、トウダイグサ科のTrevia nudifloraに存在する。^{[ 141 ]}ブラウンマスタードには、インドールアセトニトリルが存在する。これはインドールアセトアルドキシムから形成され、病原性真菌に対する防御に機能すると考えられる。^{[ 142 ]}ホホバには、アグリコンにα,β-不飽和ニトリル部分を含む配糖体であるシモンジンを含む、さまざまなニトリルが見つかる。^{[ 143 ]}同様の化合物であるメニスダウリンは、ヨーロッパヒイラギ（Ilex aquifolium ）に存在する。^{[ 144 ]} α,β-不飽和ニトリルは、サザーランジンやアカシペタリンなど、アカシア属のいくつかの種にも存在します。^{[ 145 ] [ 146 ]}セイヨウワサビノキ（セイヨウワサビノキ）には、 4-ヒドロキシフェニルアセトニトリルの配糖体であるニアジリンが含まれています。^{[ 147 ]}香り高いスイートピー（Lathyrus odoratus ）は、N-グルタミル-3-アミノプロピオニトリルとその分解生成物である3-アミノプロピオニトリルが原因となるラチリズムという病気を引き起こします。^{[ 148 ] [ 149 ]}ヘラクレウム・トランスコーカシカム（オオハンゴンソウ属）の精油には、ゲラニルニトリルが含まれています。^{[ 150 ]} 3-シアノピリジンは、一年生ヒルガオに見られます。^{[ 151 ]}シアノ脂質は、ムクロジ科の植物にのみ存在する脂質の一種です。そのアルコール成分は、炭素原子が5個でヒドロキシ基が1つまたは2つある不飽和ニトリルです。グリセリド中のグリセロール。シアノ脂質を含むソープツリー植物には、ソープナッツの木とガラナが含まれます。^{[ 152 ] [ 153 ]}シアン化水素は、対応するシアン化合物、特にシアン配糖体とシアノ脂質を含む多くの植物によって放出されます。^{[ 154 ]}植物では、シアン化水素はシグナル分子としても機能します。^{[ 155 ]}

• 
  トウゴマ
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  リシニン
• 
  グアラナ（ソープツリー）にはシアノ脂質が含まれている。
• 
  シアノ脂質のアルコール成分で、例えばガラナに含まれる。

ムカデ類（Chilopoda）、二足動物（Diplopoda ）、甲虫類（Hemiptera）、甲虫類（ Coleoptera ）、チョウ類（Lepidoptera）など、多くの節足動物（Arthropoda）にはシアン生成性（シアン化水素を放出する）ニトリル化合物が含まれています。^{[ 178 ]}グーズベリーガ（Abraxas grossulariata）にはニトリル含有配糖体サルメントシンが含まれており、これは防御に機能していると考えられます。^{[ 179 ]}サルメントシンは、 Parnassius属のいくつかの種にも存在します。^{[ 180 ]}ガラス翅カメムシ（Jadera haematolomaを含む）のいくつかの種にはシアノ脂質またはカルジオスペルミンが含まれており、これらは毒素の隔離、つまり取り込みと貯蔵によって宿主植物から獲得される可能性があります。 ^{[ 178 ] [ 181 ] [ 182 ]}イトトンボは、宿主植物からシアン配糖体リナマリンとロタウストラリンを隔離し、それらを新たに合成できるチョウである。^{[ 183 ]}同じ属 ( Zygaena ) の他の種、例えばミズアオイトトンボもシアン配糖体を含んでいる。^{[ 184 ]}ムカデHimantarium gabrielisの防御分泌物には、ベンゾイルシアニド、フェニルアセトニトリル、マンデロニトリル (ベンズアルデヒドシアノヒドリン)、およびマンデロニトリル安息香酸塩が含まれている。^{[ 185 ]}フェニルアセトニトリルは、サバクトビバッタ( Schistocerca gregaria )のホルモンとしても機能する。^{[ 186 ]}様々な条虫類（Polydesmida）の防御分泌物にも同様にベンゾイルシアニドが含まれている。 ^{[ 187 ]}ダニの一種であるOribatula tibialis（ツノダニ目、ササラダニ類）にはマンデロニトリルヘキサノエートが含まれている。^{[ 188 ]}シアン化水素は、シアン化合物の分解生成物として節足動物にも存在する。^{[ 155 ]}

• 
  グーズベリーガ
• 
  サバクトビバッタ
• 
  ヒマンタリウム・ガブリエリス
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  ベンゾイルシアニドは、様々な節足動物の防御分泌物に含まれている。

節足動物に加えて、海洋動物にもニトリル化合物が含まれています。これらには、Bursatella属の広足巻貝から得られるブルサテリン^{[ 189 ]}や、海綿動物から単離されたカリキュリン^{[ 190 ]}などがあります。Mycale属の海綿動物から得られるアルバニトリルは、片方の末端または両方の末端にニトリル基を持ち、さらにいくつかのC≡C三重結合を持つ直鎖化合物（炭素原子数16～18）です^{[ 191 ] 。}

多くの菌類はグリシンからシアン化水素を生成します。これには、漏斗状キノコ属 ( Clitocybe )、ドウィンドラー属( Marasmius )、茎ポルチーニ属( Polyporus )、およびリッターリンゲ属( Tricholoma ) の代表例が含まれます。^{[ 192 ]}エプルプリンは、それぞれ2つのニトリル基を持つ黄色のフェノール性色素のグループであり、Emericella purpureaに存在します。^{[ 193 ]}ジアトレチンIIは、肉質キノコ( Clitocybe diatreta ) ^{[ 194 ]}および紫がかった赤色のイグチに存在します。^{[ 195 ]}クローブドワーフマッシュルームには、グリオキシル酸のシアノヒドリンが存在します。これは2つのグリシン分子から形成され、組織が損傷するとシアン化水素を放出します。^{[ 196 ]}

シアン化水素は、シアノバクテリアやAeromonas属、Bacillus 属、Pseudomonas 属の代表種を含む、さまざまな土壌細菌によって生成される。生合成はグリシンから始まる。^{[ 197 ]} Pseudomonas veroniiからは、ドデカニトリル、トリデカニトリル、テトラデカニトリル、ペンタデカニトリル、ヘキサデカニトリルなどのアルカンニトリル類、および二重結合を含む同様の鎖長の化合物が単離された。Micromonospora echinosporaからは、末端メチル分岐、二重結合、またはその両方が異なる構造的に関連する化合物も単離された。^{[ 198 ]} Streptomyces regensisからは、ホスホン酸部分を含むシアノヒドリンが知られている。^{[ 199 ]}シアノバクテリアAetokthonos hydrillicola由来のアエトクトノトキシンは、ニトリル基を有する臭素化インドール誘導体である。これは強力な神経毒であり、摂取したハクトウワシにしばしば死をもたらす。^{[ 200 ]}

ニトリルは宇宙で最も豊富な有機分子の一つであり、10種類以上の異なる化合物が明確に検出されている。^{[ 201 ]}シアン化水素は宇宙で最初に確認された多原子分子の一つであり、宇宙では比較的頻繁に、かつ相当量存在する。^{[ 202 ]}宇宙で検出された他のニトリルには、アセトニトリルとアミノアセトニトリル^{[ 201 ]}、ブチロニトリル^{[ 203 ]} 、シアノアセチレン、および2 ～5個の共役三重結合を含むシアノポリイン^{[ 204 ]}などがある。土星の衛星タイタンの大気には、シアン化水素、シアノアセチレン、およびシアンが存在する。^{[ 205 ]}

ニトリルは地球上の化学進化において重要な役割を果たした可能性がある。 ^{[ 206 ] [ 205 ]}実験的研究により、シアン化水素は幅広い妥当な前生物的条件下で生成できることが示されている。考えられる出発物質には、メタン、二酸化炭素、窒素、アンモニア、および/または水素の混合ガスが含まれる。放電や紫外線などのさまざまなエネルギー源も同様に考えられる。単純な条件下では、シアン化水素は多数の追加の有機分子を生み出すことができる。^{[ 207 ]}シアン化水素およびシアノアセチレンやジシアンなどの他のニトリルは、核酸塩基の潜在的な前駆体と考えられている。^{[ 205 ] [ 207 ]}アミノニトリルは、アミノ酸およびペプチドの可能性のある前駆体と考えられている。たとえば、アミノアセトニトリルはグリシンの前駆体である。ストレッカー合成に類似したプロセスが提案されており、α-アミノプロピオニトリルは最初にシアン化物、アセトアルデヒド、アンモニアから生成され、その後加水分解されてアラニンになる。^{[ 206 ] [ 208 ] [ 209 ]}

シアン化水素はバルク化学物質であり、2001 年の世界生産量は約 260 万トンでした。シアン化水素から製造される主な誘導体には、アジポニトリル、アセトンシアノヒドリン、シアン化ナトリウム、シアヌル酸クロリドなどがあります。^{[ 77 ] [ 210 ]}キレート剤もシアン化水素から合成されます。[ ^{210 ]例えば}、ホルムアルデヒド、エチレンジアミン、シアン化水素、水酸化ナトリウムからエチレンジアミン四酢酸が合成されます。^{[ 211 ]}アミノ酸の重要な工業的経路は、シアン化水素を原料とするストレッカー合成です。 ^{[ 212 ]}量的に重要なアミノ酸はメチオニンで、アクロレイン、シアン化水素、硫化水素から製造され、主に動物飼料に使用されます。^{[ 210 ] [ 213 ]}

広く使用されているポリマーのいくつかはモノマーとしてアクリロニトリルを含み、そのためニトリル基を組み込んでいます。純粋なポリアクリロニトリル（PAN）は加工が難しいため、その製造時には、85～99%のアクリロニトリルが少量の他のモノマーとほぼ常に共重合されます。^{[ 14 ]}酢酸ビニルやメタクリル酸メチルなどの他のモノマーとともに、35～85%のアクリロニトリルを含む共重合体も使用されます。^{[ 14 ] [ 214 ]}ニトリルポリマーは、ポリエステルやポリアミドと並んで、繊維用の最も重要な完全合成材料の1つです。^{[ 14 ] [ 215 ]}アクリル繊維として知られるこれらの繊維は、年間数百万トンの規模で生産されています。2000年には、世界の生産量は約270万トンでした。^{[ 14 ] [ 216 ]}アクリル繊維は、衣類（靴下やセーターなど）、毛布、カーペット、編み糸などの用途に使用されています。^{[ 14 ] [ 217 ]} PANは、自動車や航空機の製造において非常に軽量でありながら強度のある材料として使用される炭素繊維の製造の主要な前駆体でもあります。^{[ 14 ] [ 214 ] [ 218 ] [ 219 ]}モノマーであるアクリロニトリルの世界生産量は、1988年に約320万トンでした。^{[ 77 ]}

アクリロニトリルブタジエンゴムはニトリルゴムとして知られており、高い引張強度、高い耐摩耗性、炭化水素（油や燃料）に対する耐性などの有利な特性を示します。そのため、シールリングやオイルホース、燃料ホースに使用されます。^{[ 14 ]}ニトリルゴムのもう1つの重要な用途は保護手袋で、医療現場ではラテックスアレルギーを引き起こすことが多いラテックス製の衣類用手袋の代わりに頻繁に使用されています。^{[ 220 ]}このような手袋は、有機溶剤などの危険な化学物質を取り扱う際にも一般的に使用されます。^{[ 221 ]}

もう一つの重要なポリマーは、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの三元共重合体（アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体）です。この材料は、電子機器（コンピューター、モニター、キーボード）の外装に広く使用されています。^{[ 222 ]}その他の用途としては、自動車用プラスチック部品（ヘッドライトやミラーのハウジングなど）、冷蔵庫のライナー、キッチン家電、掃除機、電動工具のハウジング、スーツケース、スナック容器^{[ 223 ]} 、レゴなどの玩具^{[ 224 ] [ 225 ]}などがあります。ABSは年間数百万トン規模で生産されており、例えば1992年には約270万トンが製造されました。^{[ 223 ]}

ポリアミド（ナイロン）はニトリルポリマーではありませんが、その製造における重要な中間体はアジポニトリルです。アジポニトリルは、ブタジエンのヒドロシアン化またはアクリロニトリルの二量化によって得られ、触媒的水素化によってヘキサメチレンジアミンに変換されます。ヘキサメチレンジアミンは、ナイロンの製造に使用されるモノマーの1つです。2番目のモノマーであるアジピン酸は、シクロヘキサンの酸化によって生成されます。^{[ 226 ] [ 227 ]}アセトンシアノヒドリンは、メタクリル酸メチルの製造における重要な中間体であり、メタクリル酸メチルは、ポリメタクリル酸メチルの製造に使用されます。^{[ 228 ]}

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  ポリアクリロニトリルは編み糸に使用されます
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  炭素繊維はポリアクリロニトリルから作られることが多い
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  ニトリルゴム製の保護手袋
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  レゴブロックはアクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ABS）で作られています。

アセトニトリルは、特に製薬業界で溶媒として使用されています。^{[ 229 ]}市場分析によると、2022年に世界中で約18万トンのアセトニトリルが生産され、そのうち約70%が製薬部門で消費されました。^{[ 230 ]}また、高性能液体クロマトグラフィーによる分析で最も重要な溶媒の1つでもあります。^{[ 229 ] [ 231 ]}アゾビスイソブチロニトリル（AIBN）および関連化合物（例えば、アゾビス（シクロヘキサンカルボニトリル） ）の熱分解により、比較的安定なラジカルが生成されます。したがって、これらの化合物は、ラジカル反応、特に重合におけるラジカル開始剤として使用されます。 ^{[ 232 ]} 2つのニトリル基を含むキノンDDQは、医薬品合成を含む、広く使用されている酸化剤です。^{[ 233 ]}ニトリル基は、赤外分光分析のプローブとして生体分子に組み込むことができる。^{[ 234 ]}一部のニトリルは、医薬品合成の出発原料として使用される。^{[ 235 ]}ケトプロフェンは、一部のEU諸国で承認されている抗炎症剤であり、その工業的合成にはプロピオニトリルが使用されている。^{[ 236 ] [ 237 ]}

ニトリルは多くの種類の医薬品に存在します。2010年から2020年の間に、米国食品医薬品局（FDA）は毎年少なくとも1つのニトリル官能基を含む医薬品を承認しました。ニトリル基は、医薬品設計において重要な特徴的な物理化学的性質を示します。構造的には、直線状の幾何構造を持ち、非常に小さな空間しか占めません。その体積はメチル基の約8分の1です。そのため、配位子置換基として、標的タンパク質の結合部位内の狭く深い空洞を占めるのに適しており、そうでなければアクセスが困難です。分子にニトリル基を導入すると、一般的にオクタノール-水分配係数が低下し、水溶性が上昇します。これは多くの場合、親油性化合物の生物学的利用能、血漿半減期、ひいては作用持続時間に好ましい影響を与えます。医薬品において、ニトリル基は通常、代謝的に安定しています。^{[ 238 ]}ニトリル基はカルボニル基、ヒドロキシ基、塩素原子と等立体構造である。そのため、同様の電子的および立体的特性を示し、これらの基と交換することで分子特性を微調整することができる。^{[ 239 ]}

水素結合は、エチニル基とは対照的に、窒素原子の電気陰性度によりプロトン受容体として作用するニトリル基の主要な薬力学的相互作用を表しています。^{[ 240 ]}例えば、競合的PDE-3阻害剤ミルリノンのニトリル基は、これらのホスホジエステラーゼの結合部位に位置するヒスチジン残基を介して親和性に関連する水素結合を形成します。^{[ 238 ]}ニトリルはカルシウムカチオンと配位結合を形成することができ、これはベラパミル型のカルシウム拮抗薬の活性に不可欠です。これらの薬剤は、リガンド-カルシウム複合体化学を介して、カルシウムチャネルの細孔内の選択性フィルターのグルタミン酸残基の1つと塩橋を形成することにより、カルシウム流入を阻害します。^{[ 241 ] [ 242 ]}ベラパミルは、動脈性高血圧や狭心症などの心血管疾患に使用されます。^{[ 243 ]}

ニトリル置換基は強い誘起効果により芳香族化合物の電子密度を低下させる。このようにして、薬物分子と標的タンパク質の適切なアミノ酸残基（フェニルアラニン、チロシン、トリプトファン、ヒスチジンなど）との間のπ-π相互作用が調節される。^{[ 239 ]}このようなπ-π相互作用は、抗エストロゲンとして作用し、乳がんに使用されるアロマターゼ阻害剤レトロゾールとアナストロゾールで観察される。^{[ 244 ] [ 245 ]}多くのアンドロゲン受容体拮抗薬は著しく電子不足の芳香環を含み、これは超分子受容体結合に特に重要である。^{[ 246 ]}前立腺がんの治療に使用されるビカルタミド、エンザルタミド、およびその他の類似体では、ニトリル基がこの電子効果に寄与している。^{[ 247 ]}

場合によっては、ニトリルは標的分子と可逆的でありながら薬理学的に重要な共有結合を形成する。^{[ 239 ]}適切な条件下では、標的タンパク質のセリンまたはシステイン残基とニトリル基との間で付加反応が起こり^、イミド酸エステルまたはチオイミデートが形成される。このメカニズムは、糖尿病に使用されるジペプチジルペプチダーゼ4阻害剤ビルダグリプチン[ ^{248 ]}およびサキサグリプチン^{[ 249 ]}にも適用される。抗菌抗生物質セフメタゾールも共有結合阻害剤として作用し、この場合は細菌ペプチダーゼを標的とする。^{[ 250 ]}カルシウム感受性増強剤レボシメンダンは、心筋トロポニンタンパク質複合体と反応すると考えられている。^{[ 251 ]}このような反応性官能基は、弾頭とも呼ばれる。

場合によっては、ニトリル基はアミノ酸残基とのファンデルワールス力を形成することにより、主に立体相互作用（すなわち空間的相補性）を介して効果を発揮します。これは、慢性骨髄性白血病に使用されるチロシンキナーゼ阻害剤ボスティニブに当てはまります。ボスティニブがさまざまなチロシンキナーゼと複合体を形成した結晶構造が報告されています。エトラビリンやリルピビリンなどの逆転写酵素阻害剤は、 HIVに対する併用療法に使用されます。リルピビリンのアクリロニトリル部分構造は、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファンからなる芳香族ケージに侵入することが、2008年に発表された対応する三次元構造によって実証されている。^{[ 252 ]}うつ病の治療に使用されるセロトニン再取り込み阻害薬シタロプラムは、2016年にドイツで最も頻繁に処方された向精神薬であり、1日あたりの規定用量は2億9000万回であった。エスシタロプラムのニトリル基は、結晶構造解析によって証明されているように、輸送タンパク質の中心および追加のアロステリック結合部位の両方に対して最適な相補性を示す。^{[ 253 ]}

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  レボシメンダン
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  レトロゾール
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  サクサグリプチン
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  ミルリノン
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  セフメタゾール
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  シタロプラム
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  リルピビリン

現在、30種類以上のニトリル含有医薬品が多様な適応症向けに販売されており、さらに20種類以上のニトリル含有候補薬が臨床開発段階にある。ニトリル含有医薬品の種類は多岐にわたり、抗糖尿病薬であるビルダグリプチンから、乳がん治療の標準薬であるアナストロゾールまで様々である。多くの場合、ニトリルは酵素の基質に存在する機能性を模倣するが、他の場合では、ニトリルは水溶性を高めたり、肝臓での酸化代謝に対する感受性を低下させたりする。^{[ 254 ]}ニトリル官能基はいくつかの医薬品に見られる。

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  オピオイド依存症の治療薬として研究されている抗精神病薬ペリシアジンの構造
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  選択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）に分類される抗うつ薬、シタロプラムの構造
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  抗精神病薬であるシアメマジンの構造
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  乳がん治療薬であるアロマターゼ阻害剤ファドロゾールの構造
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  レトロゾールの構造：特定の乳がんの治療に用いられる経口非ステロイド性アロマターゼ阻害剤

数十種類のニトリルが化粧品の香料成分として使用されています。これらには、ケイ皮酸ニトリル、ドデカニトリル、ベンゾニトリル、ゲラニルニトリルなどがあります。^{[ 255 ] [ 256 ] [ 257 ]}一部のニトリルは、対応するアルデヒドと同様の香りを持ちながら、はるかに安定しているため、適切な代替品となります。たとえば、ゲラニルニトリルは柑橘系の香りを持ち、構造的に類似したシトラールとは異なり、酸化に耐性があります。^{[ 258 ]}

さまざまなニトリルが殺虫剤として使用されています。シアノ基は特定のピレスロイドに存在します。ピレスロイドはカルボン酸エステルです。デルタメトリンやシペルメトリンのように、 3-フェノキシマンデロニトリルをアルコール成分として使用することにより、特に強力な誘導体のクラスが開発されました。^{[ 259 ]}アゾキシストロビンは、発売からわずか数年後の1999年に、売上高が4億米ドルを超え、世界で最も売れている農業用殺菌剤となり、15年以上にわたって市場での重要性を維持し、2016年も主要な殺菌剤であり続けました。^{[ 260 ] [ 261 ]}アゾキシストロビンは、天然に存在するストロビルリンを基に開発されました。親化合物に対する主要な構造変更には、二重結合を芳香環に置き換えることと、既存の環系にシアノ基を導入することが含まれます。^{[ 261 ]}広く使用されているニトリル含有殺虫剤はフィプロニルである。^{[ 262 ]}

シアノアクリレートは、単成分製剤であるため、常温で急速に硬化し、幅広い材料を接着できるため、接着剤として使用されています。この分野で最も広く使用されている化合物は2-シアノアクリル酸エチルエステルであり、2-シアノアクリル酸メチルエステルとアリルシアノアクリレートはそれほど使用されていません。^{[ 263 ]}シアノアクリレート接着剤は、縫合の代替として創傷閉鎖のために医療にも使用されています。しかし、短鎖アルキルエステル（例えば、メチルシアノアクリレート）は、特に炎症などの副作用を引き起こすことが多いため、医療用途と技術用途では異なる化合物が使用されています。特に、ブチルシアノアクリレートと2-オクチルシアノアクリレートが主に使用されています。^{[ 15 ]}

ニトリルはリチウム電池の電解質添加剤として使用されます。例えば、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリルを添加すると、添加剤を含まない電池と比較して性能が大幅に向上します。ニトリル添加剤の作用機序はまだ完全には解明されていません。^{[ 264 ] [ 265 ]}