Введение

Содержащее серу ароматическое соединение

Тиофен – гетероциклическое соединение с формулой C4H4S. Он состоит из плоского пятичленного кольца и является ароматическим, что подтверждается его многочисленными реакциями замещения. Это бесцветная жидкость с запахом, напоминающим бензол. В большинстве реакций тиофен проявляет свойства, схожие с бензолом. К соединениям, аналогичным тиофену, относятся фуран (C4H4O), селенофен (C4H4Se) и пиррол (C4H4NH), которые различаются только гетероатомом в кольце.

Изоляция и возникновение

Тиофен был обнаружен Виктором Мейером в 1882 году как примесь в бензоле. Было замечено, что изатин (индол) образует синюю краску при смешивании с серной кислотой и сырым бензолом. Долгое время считалось, что образование синего индофенина происходит за счет реакции самого бензола. Виктору Мейеру удалось выделить тиофен как вещество, действительно ответственное за эту реакцию. Тиофен и, особенно, его производные содержатся в нефти, иногда в концентрациях до 1–3%. Содержание тиофена в нефти и угле удаляется посредством процесса гидродесульфуризации (HDS). В процессе HDS жидкий или газообразный продукт пропускается через катализатор на основе дисульфида молибдена под давлением H2. Тиофены подвергаются гидрогенолизу с образованием углеводородов и сероводорода. Таким образом, сам тиофен превращается в бутан и H2S. Бензотиофен и дибензотиофен более распространены и представляют большую проблему в нефти.

На Марсе

Производные тиофена были обнаружены в концентрациях на наномолевом уровне в отложениях марсианской почвы возрастом 3,5 миллиарда лет (формация Мюррея, холмы Пахрумп) марсоходом Curiosity в кратере Гейл (Марс) в период с 2012 по 2017 год. Это важная веха в миссии Марсианской научной лаборатории (MSL) в длительном и неуловимом поиске органического вещества на красной планете. Нагрев образцов лакустринового глинистого сланца до высоких температур (от 500° до 820 °C) инструментом SAM (Sample Analysis at Mars) позволил провести газохроматографически-масс-спектрометрический (ГХ-МС) анализ выделяющихся газов и обнаружить ароматические и алифатические молекулы, включая несколько соединений тиофена. Наличие углерод-серных связей в макромолекулах могло способствовать долгосрочному сохранению органического вещества. По оценкам, около 5% органических молекул, проанализированных инструментом SAM, содержат органическую серу. Остается невыясненным, является ли происхождение и механизм образования этих молекул биотическим или абиотическим, однако их обнаружение ставит сложный вопрос о тиофенических соединениях как о возможной древней биосигнатуре на Марсе. Для определения, обогащены ли такие органические молекулы легким углеродом (12C), как это обычно наблюдается у живых микроорганизмов на Земле, потребуется детальный анализ изотопов углерода (δ13C) в следовых количествах с помощью следующего поколения марсианских роверов, таких как Розалинд Франклин.

Синтез и производство

Вследствие своей высокой стабильности тиофены образуются во многих реакциях с участием источников серы и углеводородов, особенно ненасыщенных. Первый синтез тиофена, предложенный Мейером в год его открытия, включает ацетилен и элементарную серу. Классически тиофены получают реакцией 1,4-дикетонов, диэфиров или дикарбоксилатов с сульфидирующими реагентами, такими как P4S10, например, в синтезе тиофена Пааля-Кнорра. Специализированные тиофены могут быть синтезированы аналогичным образом с использованием реагента Лоуэссона в качестве сульфидирующего агента или посредством реакции Гевальда, включающей конденсацию двух сложных эфиров в присутствии элементарной серы. Другим методом является циклизация Вольхарда — Эрдмана. Тиофен производится в умеренных масштабах, около 2000 метрических тонн в год во всем мире. Производство включает реакцию в паровой фазе источника серы, обычно дисульфида углерода, и C4-источника, обычно бутанола. Эти реагенты контактируют с оксидным катализатором при 500–550 °C.

Свойства и структура

При комнатной температуре тиофен представляет собой бесцветную жидкость, с которой он имеет некоторые сходства. Высокая реакционная способность тиофена к сульфонированию лежит в основе его отделения от бензола, разделение которых затруднено дистилляцией из-за близких температур кипения (разница 4 °C при атмосферном давлении). Подобно бензолу, тиофен образует азеотроп с этанолом. Молекула плоская; угол связи у атома серы составляет около 93°, угол C–C–S – около 109°, а у двух других атомов углерода – около 114°. Длины связей C–C, примыкающих к атому серы, составляют около 1,34 Å, длина связи C–S – около 1,70 Å, а длина другой связи C–C – около 1,41 Å. Окисление тиофена трифтороперацетиковой кислотой демонстрирует оба пути реакции. Основной путь приводит к образованию S-оксида в качестве промежуточного продукта, который затем подвергается димеризации типа Дильса-Альдера и дальнейшему окислению, образуя смесь продуктов сульфоксида и сульфона с общим выходом 83% (по данным ЯМР).

В побочном пути реакции эпоксидирование по Прилежаеву приводит к образованию 2,3-эпокситиофена, который быстро перегруппировывается в 2-тиофенон. Исследования показали, что этот путь не является побочной реакцией, идущей от S-оксидного промежуточного продукта, а изотопная метка дейтерием подтверждает, что происходит 1,2-сдвиг гидрида, что указывает на участие катионного промежуточного соединения.

Алкилирование

Хотя атом серы относительно нереактивен, соседние углеродные центры в позициях 2 и 5 весьма подвержены атаке электрофилов. Галогены сначала дают 2-галогенопроизводные, а затем 2,5-дигалотиофены; пергалогенирование легко осуществимо с образованием C4X4S (X = Cl, Br, I). Тиофен бромируется в 107 раз быстрее, чем бензол. Ацетилирование легко протекает с образованием 2-ацетилтиофена, который является предшественником тиофен-2-карбоновой кислоты и тиофен-2-уксусной кислоты.

Обезсульфирование никелем Рэйни

Обезсульфирование тиофена никелем Рэйни приводит к образованию бутана. В сочетании с легкой 2,5-дифункционализацией тиофена, обезсульфирование предоставляет путь к 1,4-дизамещенным бутанам.

Координационная химия

Тиофен проявляет незначительные свойства, характерные для сульфидов, но он может выступать в качестве π-лиганда, формируя комплексы типа "пианино-стул", такие как Cr(η⁵-C₄H₄S)(CO)₃.

Тиенил

При депротонировании тиофен превращается в тиенильную группу, C4H3S−. Хотя сам по себе анион не существует, существуют его производные лития. Таким образом, реакция тиофена с бутиллитием дает 2-литиотиофен, также называемый 2-тиениллитием. Этот реагент реагирует с электрофилами, образуя тиенильные производные, такие как тиол. Окисление 2-тиениллития дает 2,2'-дитиенил, (C4H3S)2. 2-Тиениллитий используется в синтезе смешанных купратов высшего порядка. Сочетание тиенильных анионных эквивалентов приводит к образованию дитиенила, аналога бифенила.

Тиофены, сжиженные в кольца

Слияние тиофена с бензольным кольцом дает бензотиофен. Слияние с двумя бензольными кольцами дает либо дибензотиофен (DBT), либо нафтотиофен. Слияние двух тиофеновых колец дает изомеры тиенотиофена.

Применение

Тиофены — важные гетероциклические соединения, широко используемые в качестве строительных блоков при создании многих агрохимикатов и фармацевтических препаратов. Это подтверждается примерами, такими как НПВП лорноксикам, тиофеновый аналог пироксикама, и суфентанил, тиофеновый аналог фентанила.