Кіріспе
Күкірт қамтитын органикалық қосылыстар. Органокүкірт химиясы – күкірт қамтитын органикалық қосылыстардың қасиеттерін және синтезін зерттейтін ғылым. Олар көбінесе жағымсыз иіспен байланысты, бірақ белгілі ең тәтті қосылыстардың көптегені органокүкірт туындылары, мысалы, сахарин. Табиғатта күкіртті органикалық қосылыстар көптеп кездеседі – күкірт өмір үшін өте маңызды. 20 кең таралған аминқышқылының екеуі (цистеин және метионин) органокүкірт қосылыстары болып табылады, ал антибиотиктер пенициллин мен сульфаниламидтердің құрамында күкірт бар. Күкіртті антибиотиктер көптеген өмірлерді сақтайды, бірақ күкірт иісі – қауіпті химиялық қару. Қазба отындар, көмір, мұнай және табиғи газ, ежелгі организмдерден алынған, сөзсіз күкіртті органикалық қосылыстарды қамтиды, оларды жою мұнай өңдеу зауыттарының басты міндеті. Күкірт, оттегі, селен және теллурмен бірге халькогендер тобына жатады, және органокүкірт қосылыстарының көміртек-оттегі, көміртек-селен және көміртек-теллур қосылыстарымен ұқсастықтары болуы күтіледі. Күкірт қосылыстарын анықтау үшін классикалық химиялық тәжірибе – Кариус галоген әдісі.
Organosulfur chemistry is the study of the properties and synthesis of organosulfur compounds, which are organic compounds that contain sulfur. They are often associated with foul odors, but many of the sweetest compounds known are organosulfur derivatives, e. g., saccharin. Nature is abound with organosulfur compounds—sulfur is vital for life. Of the 20 common amino acids, two (cysteine and methionine) are organosulfur compounds, and the antibiotics penicillin and sulfa drugs both contain sulfur. While sulfur containing antibiotics save many lives, sulfur mustard is a deadly chemical warfare agent. Fossil fuels, coal, petroleum, and natural gas, which are derived from ancient organisms, necessarily contain organosulfur compounds, the removal of which is a major focus of oil refineries. Sulfur shares the chalcogen group with oxygen, selenium, and tellurium, and it is expected that organosulfur compounds have similarities with carbon–oxygen, carbon–selenium, and carbon–tellurium compounds. A classical chemical test for the detection of sulfur compounds is the Carius halogen method.
Құрылымдық кластар
Органосіртілік қосылыстарды күкіртті функционалдық топтарға қарай жіктеуге болады, олар (шамамен) кездесу жиілігі бойынша төмендеу ретімен тізімделген.
Сульфидтер
Сульфидтер, бұрын тиоэфирлер деп белгіленген, C−S−C байланыстарымен сипатталады. C−C байланыстарына қарағанда C−S байланыстары ұзағырақ, себебі күкірт атомдары көміртек атомдарынан үлкен және шамамен 10% әлсіз. Күкірт қосылыстарындағы байланыс ұзындығы метанетиолдағы S−C бірлік байланысы үшін 183 пм, ал тиофенде 173 пм құрайды. Тиометанның С−S байланысын үзуге жұмсалатын энергия 89 ккал/моль (370 кДж/моль), метан үшін бұл көрсеткіш 100 ккал/моль (420 кДж/моль) ал, сутекті метил тобымен алмастырғанда энергия 73 ккал/моль (305 кДж/моль) дейін төмендейді. Көміртек пен оттегі арасындағы бірлік байланысы С-С байланысынан қысқа. Диметил сульфид пен диметил эфирдің байланысын үзуге жұмсалатын энергия тиісінше 73 және 77 ккал/моль (305 және 322 кДж/моль) құрайды. Сульфидтер әдетте тиолдарды алкилдеу арқылы дайындалады. Алкилдеуші заттарға алкил галоидтар ғана емес, сонымен қатар эпоксидтер, азиридиндер және Михаэль акцепторлары жатады. Оларды Пүммердің қайта орналасуы арқылы да алуға болады. Феррарио реакциясында фенил эфирі элементтік күкірт пен алюминий хлоридінің әсерінен феноксатиинге айналады. Тиоацетальдар мен тиокетальдар C−S−C−S−C байланысы тізбегіне ие. Олар сульфидтердің кіші класын құрайды. Тиоацетальдар карбонил тобының "қарсы полярлылығын" (umpolung) жүзеге асыруда пайдалы. Тиоацетальдар мен тиокетальдар органикалық синтезде карбонил тобын қорғау үшін де қолданылады. Жоғарыда аталған күкірт қосылыстарының кластары қаныққан және қанықпаған гетероциклді құрылымдарда, көбінесе басқа гетероатомдармен бірге кездеседі, мысалы тиирандар, тиирендер, титан, тиет, дититан, тиолан, тиан, дитиан, тиепан, тиепин, тиазол, изотиазол және тиофендер. Соңғы үш қосылыс – ароматты күкіртті гетероциклдердің ерекше класын білдіреді. Тиофеннің резонанстық тұрақтандыруы 29 ккал/моль (121 кДж/моль), ал оттегі аналогы фуран үшін бұл көрсеткіш 20 ккал/моль (84 кДж/моль) құрайды. Бұл айырмашылықтың себебі – оттегінің жоғары электронегативтілігі, ол ароматтық сақина ағынының есебінен электрондарды өзіне тартады. Дегенмен, ароматтық алмастырғыш ретінде тио тобы алкокси тобына қарағанда электрондарды аз бөліп шығарады. Дибензотиофендер (суретті қараңыз), екі бензол сақинасы орталық тиофен сақинасына қосылған трициклдік гетероциклдер, мұнайдың ауыр фракцияларында кең таралған.
Тиолдар, дисульфидтер, полисульфидтер
Тиол топтары R-SH функционалдығын қамтиды. Тиольдар спирт тобына құрылымдық жағынан ұқсас, бірақ химиялық қасиеттерімен мүлдем өзгеше. Тиольдар нуклеофилдік қасиеттері жоғары, қышқылдылығы күшті және тез тотығады. Бұл қышқылдық көрсеткіші 5 pKa бірлікке дейін өзгеруі мүмкін. Күкірт (2,58) пен сутегінің (2,20) арасындағы электронегативтілік айырмашылығы шамалы болғандықтан, тиолдардағы сутегілік байланыс байқалуы қиын. Алифатикалық тиолдар алтын бетінде моноқабаттар түзеді, бұл нанотехнологияда маңызды қолданысқа ие. Кейбір ароматты тиолдар Герц реакциясы арқылы алынуы мүмкін. Күкірт-күкірт ковалентті байланысы бар R−S−S−R дисульфидтері байланыстыру үшін маңызды: биохимияда кейбір белоктардың бүктелуі мен тұрақтылығы үшін, ал полимер химиясында резеңке байланыстыру үшін қолданылады. Варацин сияқты табиғи өнімдерде 5 күкірт атомынан тұратын пентатиепин сақинасы (күкірт тізбегі бензол сақинасына циклмен қосылған) сияқты ұзын күкірт тізбектері де белгілі.
Тиостерлер
Тиоэстерлердің жалпы құрылымы R−C(O)−S−R болып табылады. Олар қалыпты эфирлерге (R−C(O)−O−R) ұқсас, бірақ гидролизге және оған байланысты реакцияларға көбірек бейім. Кофермент А-дан түзілген тиоэстерлер биохимияда, әсіресе май қышқылдарының синтезінде маңызды рөл атқарады.
Сульфоксидтер, сульфондар және тиосульфинаттар
Сульфоксид, R-S(O)-R – сульфидтің S оксиді («сульфид оксиді»), сульфон, R-S(O)₂-R – сульфидтің S,S диоксиді, тиосульфинат, R-S(O)-S-R – дисульфидтің S оксиді, ал тиосульфонат, R-S(O)₂-S-R – дисульфидтің S,S диоксиді. Бұл қосылыстардың бәрі жақсы зерттелген және кең химиялық қасиеттері белгілі, мысалы, диметил сульфоксид, диметил сульфон және аллицин (суретті қараңыз).
Сульфимидтер, сульфоксимидтер, сульфонедиминдтер
Сульфимидтер (сонымен қатар сульфилиминдер деп те аталады) – R2S=NR′ құрылымы бар күкірт-азот қосылыстары, сульфоксидтердің азот аналогы. Олардың фармакологиялық қасиеттері болғандықтан қызығушылық тудырады. Егер екі түрлі R тобы күкіртке қосылған болса, сульфимидтер хиралды болады. Сульфимидтер тұрақты α-карбаниондарды жасайды. Сульфоксимидтер (сонымен қатар сульфоксиминдер деп те атайды) – сульфонмен изоэлектронды, сульфонның бір оттегі атомы алмастырылған азот атомымен ауыстырылған тетракоординатты күкірт-азот қосылыстары, мысалы, R2S(O)=NR′. Егер екі түрлі R тобы күкіртке қосылған болса, сульфоксимидтер хиралды болады. Бұл қосылыстар класына қызығушылықтың көп бөлігі метионин сульфоксимидінің (метионин сульфоксимин) глутамин синтетазасының ингибиторы екендігінің анықталуынан туындайды. Сульфодиминдер (сондай-ақ сульфодиминдер, сульфодимидтер немесе сульфодимидтер деп те аталады) – сульфондармен изоэлектронды, сульфонның екі оттегі атомы алмастырылған азот атомымен ауыстырылған тетракоординатты күкірт-азот қосылыстары, мысалы, R2S(=NR′)2. Олар биологиялық белсенділігімен және гетероциклдер синтезі үшін құрылыс блоктары ретінде маңызды.
С-нитрозотиолдар
S-нитрозиолдар, сондай-ақ тионитриттер деп те аталады, бұл тиолдың күкірт атомына бекітілген нитрозо тобын қамтитын қосылыстар, мысалы R−S−N=O. Олар биохимияда маңызды назар аударды, себебі нитрозоний ионы (NO+) және азот оксиді (NO) доноры ретінде танылады, бұл тірі жүйелерде, әсіресе қан тамырларының кеңеюімен байланысты сигналдық молекулалардың ролін атқаруы мүмкін.
Күкірт галоидтары
Бір күкірт атомына бір немесе бірнеше галоген атомы ("Х" келесі химиялық формулаларда) байланысқан органикалық күкірт қосылыстарының кең спектрі белгілі, мысалы: сульфенил галидтері, RSX; сульфинил галидтері, RS(O)X; сульфонил галидтері, RSO2X; алкил және арил күкірт трихлоридтері, RSCl3 және трифторидтері, RSF3; алкил және арил күкірт пентафторидтері, RSF5. Диалкил күкірт тетрагалогенидтері, көбінесе тетрафторидтер түрінде, жақсы танымал емес, мысалы, R2SF4.
Тиокетондар, тиоалдегидтер және ұқсас қосылыстар
Көміртек пен күкірт арасындағы қос байланысы бар қосылыстар салыстырмалы түрде сирек кездеседі, бірақ маңызды қосылыстарға көміртек дисульфиді, карбонил сульфиді және тиофосген жатады. Тиокетондар (RC(=S)R′) алкил топтарымен сирек кездеседі, бірақ тиобензофенон осыған бір мысал. Тиоальдегидтер одан да сирек, бұл олардың стерикалық қорғаныштарының жетіспеуін көрсетеді ("тиоформальдегид" циклдік тример түрінде ғана бар). R1C(=S)N(R2)R3 формуласына ие тиоамидтер жиірек кездеседі. Олар әдетте амидтерді Лоуессон реагентімен реакцияға түсіру арқылы дайындалады. R−N=C=S формуласына ие изотиоцианаттар табиғатта кездеседі. Васаби, хрен, горчица, түймедақ, брюссель капустасы, су кресс, настурция және каперс сияқты ерекше дәмі бар көкөніс тағамдары изотиоцианаттардың әсерінен пайда болады.
Тиокарбонил қосылыстарының S-оксидтері мен S,S-диоксидтері
Тиокарбонил қосылыстарының S оксидтері тиокарбонил S оксидтері деп аталады: (R2C=S=O, және тиокарбонил S,S диоксидтері немесе сульфендер, R2C=SO2). Тион S оксидтері сондай-ақ сульфиндер деп белгілі, және IUPAC бұл терминді қолданыстан шығарылған деп есептесе де, атау әдебиетте сақталып келеді. Бұл қосылыстар кеңінен зерттелген және жақсы танымал. Мысал ретінде син-пропанетиал S оксиді мен сульфенді атауға болады.
Көміртек пен күкірт арасындағы үштік байланыстар
Күкірт пен көміртегі арасындағы үштік байланыстар сирек кездеседі және көміртек моносульфидінде (CS) табылады, сондай-ақ F3CCSF3 және F5SCSF3 қосылыстары үшін болжам жасалған. HCSOH қосылысы да формальды үштік байланысқа ие деп есептеледі.
Тиокарбоксил қышқылдары және тиоамидтер
Тиокарбоксил қышқылдары (RC(O)SH) және дитиокарбоксил қышқылдары (RC(S)SH) жақсы белгілі. Олар құрылымдық жағынан карбоксил қышқылдарына ұқсас, бірақ олардан көбірек қышқыл. Тиоамидтер амидтерге аналогты.
Сульфоний, сульфин және сульфен қышқылдары, эфирлері, амидтері және ұқсас қосылыстар
Сульфон қышқылдарының функционалдығы R−S(=O)₂−OH. Олар әдетте органикалық еріткіштерде еритін күшті қышқылдар болып табылады. Трифторметансульфон қышқылы сияқты сульфон қышқылдары органикалық химияда жиі қолданылатын реагенттер болып табылады. Сульфин қышқылдарының функционалдығы R−S(O)−OH, ал сульфен қышқылдарының функционалдығы R−S−OH. Сульфон, сульфин және сульфен қышқылдарының қатарында қышқылдық күші және тұрақтылығы сол ретпен азаяды. Сульфонамидтер, сульфинамидтер және сульфенамидтер, сәйкесінше R−SO₂NR′₂, R−S(O)NR′₂ және R−SNR′₂ формулаларымен, әрқайсысының өте бай химиясы бар. Мысалы, сульфа дәрілері – ароматты сульфондаудан алынған сульфонамидтер. Хиралды сульфинамидтер асимметриялық синтезде қолданылады, ал сульфенамидтер вулкандау процесінде байланыстыруға көмектесу үшін кеңінен қолданылады. Тиоцианаттар, R−S−CN, реактивтіліктері тұрғысынан сульфенил галогенидтерімен және эфирлермен байланысты.
Сульфоний, оксосульфоний және ұқсас тұздар
Сульфоний ионы – күкіртке үш органикалық топталған тобы байланысқан, оң зарядталған ион, формуласы [R3S]+. Олардың теріс зарядталған әріптесі – анионмен бірге, бұл қосылыстар сульфоний тұздары деп аталады. Оксосульфоний ионы – күкіртке үш органикалық топталған тобы және оттек байланысқан, оң зарядталған ион, формуласы [R3S=O]+. Олардың теріс зарядталған әріптесі – анионмен бірге, бұл қосылыстар оксосульфоний тұздары деп аталады. Туысқан түрлерге алкоксисульфоний және хлорсульфоний иондары жатады, тиісінше [R2SOR]+ және [R2SCl]+.
Сульфоний, оксосульфоний және тиокарбонилгилидтер
Сульфоний және оксосульфоний тұздарының депротондалуы R2S+−C−−R′2 және R2S(O)+−C−−R′2 құрылымды илидтерді тудырады. Мысалы, эпоксидтерді синтездеу үшін қолданылатын Джонсон-Корей-Чайковский реакциясындағы сульфоний илидтері кейде R2S=CR′2 сияқты C=S қос байланысы түрінде бейнеленгенімен, илидтік көміртегі-күкірт байланысы жоғары поляризацияланған және иондық сипаттамаға ие. Сульфоний илидтері синтетикалық тұрғыдан пайдалы Стивенс қайта орналасуының маңызды аралық заттары болып табылады. Тиокарбонил илидтері (RR′C=S+−C−−RR′) тиирандардың сақинасын ашу, арил винил сульфидтерінің фотоциклизациясы және басқа да процестер арқылы пайда болуы мүмкін.
Табиғаттағы органо күкірт қосылыстары
Табиғатта әр түрлі күкірт органикалық қосылыстар кездеседі. Ең көп таралғандары – метионин, цистеин және цистин аминқышқылдары. Биотин және тиамин витаминдері, сондай-ақ липо қышқылы күкірт гетероциклін тобын қамтиды. Глутатион – негізгі жасуша ішіндегі антиоксидант. Осы табиғи заттардың көптегені тромбоциттердің бірігуін болдырмау немесе қатерлі ісікке қарсы күресу сияқты маңызды емдік қасиеттерге ие. Адамдар мен басқа жануарлар тиолдар, сульфидтер және дисульфидтер сияқты төмен валентті органикалық күкірт қосылыстарының иісіне өте сезімтал. Жағымсыз иісті ұшқыш тиолдар – шіріген тағамдарда кездесетін ақуыздың ыдырау өнімдері, сондықтан осы қосылыстарды сезімтал анықтау уланудан сақтану үшін маңызды. Төмен валентті ұшқыш күкірт қосылыстары ауадағы оттегі деңгейі төмен аймақтарда да кездеседі, бұл тұншығу қаупін тудырады. Егешқұйрықтардың иіс рецепторлары кейбір ұшқыш тиолдар мен оларға ұқсас күкірт органикалық қосылыстарын жоғары сезімталдықпен анықтау үшін мысқа мұқтаж. Адамдардың да тиолдарды сезімтал анықтау үшін мысқа мұқтаждығы бар-жоғы әлі белгісіз.