Введение

Органические соединения, содержащие серу. Органосерная химия – это изучение свойств и синтеза органосерных соединений, которые представляют собой органические соединения, содержащие серу. Они часто ассоциируются с неприятными запахами, но многие из самых сладких известных соединений являются производными органосеры, например, сахарин. Природа изобилует органосерными соединениями – сера жизненно важна для жизни. Из 20 распространенных аминокислот две (цистеин и метионин) являются органосерными соединениями, а антибиотики пенициллин и сульфаниламидные препараты содержат серу. В то время как антибиотики, содержащие серу, спасают множество жизней, серная горчица является смертоносным химическим оружием. Ископаемое топливо, уголь, нефть и природный газ, получаемые из древних организмов, неизбежно содержат органосерные соединения, удаление которых является одной из основных задач нефтеперерабатывающих заводов. Сера принадлежит к группе халькогенов вместе с кислородом, селеном и теллуром, и ожидается, что органосерные соединения будут иметь сходство с соединениями углерода-кислорода, углерода-селена и углерода-теллура. Классическим химическим тестом для обнаружения соединений серы является метод Кариуса для определения галогенов.

Структурные классы

Органосерные соединения можно классифицировать по содержащим серу функциональным группам, которые перечислены (приблизительно) в порядке убывания их распространенности.

Сульфиды

Сульфиды, ранее известные как тиоэфиры, характеризуются связями C−S−C. По сравнению с связями C−C, связи C−S длиннее, поскольку атомы серы больше атомов углерода и примерно на 10% слабее. Типичные длины связей в соединениях серы составляют 183 пм для одинарной связи S−C в метанетиоле и 173 пм в тиофене. Энергия разрыва связи C−S для тиометана составляет 89 ккал/моль (370 кДж/моль) по сравнению со 100 ккал/моль (420 кДж/моль) для метана, а при замене водорода на метильную группу энергия уменьшается до 73 ккал/моль (305 кДж/моль). Одинарная связь углерода с кислородом короче, чем связь C−C. Энергии разрыва связей для диметилсульфида и диметилэфира составляют соответственно 73 и 77 ккал/моль (305 и 322 кДж/моль). Сульфиды обычно получают алкилированием тиолов. Алкилирующие агенты включают не только алкилгалогениды, но и эпоксиды, азиридины и акцепторы Михаэля. Их также можно получить посредством перегруппировки Пуммера. В реакции Феррарио фениловый эфир превращается в феноксатиин под действием элементарной серы и хлорида алюминия. Тиоацетали и тиокетали характеризуются последовательностью связей C−S−C−S−C. Они представляют собой подкласс сульфидов. Тиоацетали полезны для реализации "инверсии полярности" карбонильных групп. Тиоацетали и тиокетали также могут использоваться для защиты карбонильной группы в органических синтезах. Вышеупомянутые классы соединений серы также существуют в насыщенных и ненасыщенных гетероциклических структурах, часто в сочетании с другими гетероатомами, как это иллюстрируют тиираны, тиирены, тиэтаны, тиеты, дитиэтаны, тиоланы, тианы, дитианы, тиепаны, тиепины, тиазолы, изотиазолы и тиофены, среди прочих. Последние три соединения представляют собой особый класс серосодержащих гетероциклов, которые являются ароматическими. Резонансная стабилизация тиофена составляет 29 ккал/моль (121 кДж/моль) по сравнению с 20 ккал/моль (84 кДж/моль) для кислородного аналога фурана. Причина этой разницы заключается в более высокой электроотрицательности кислорода, который оттягивает электроны к себе за счет ароматического кольцевого тока. Однако, как ароматический заместитель, тиогруппа менее электронодонорна, чем алкоксигруппа. Дибензотиофены (см. рисунок), трициклические гетероциклы, состоящие из двух бензольных колец, конденсированных с центральным тиофеновым кольцом, широко распространены в тяжелых фракциях нефти.

Тиолы, дисульфиды, полисульфиды

Тиольные группы содержат функциональность R-SH. Тиолы структурно похожи на спирты, но их химические свойства сильно отличаются. Тиолы более нуклеофильны, более кислы и легче окисляются. Эта кислотность может различаться на 5 единиц pKa. Разница в электроотрицательности между серой (2,58) и водородом (2,20) невелика, поэтому водородные связи в тиолах выражены слабо. Алифатические тиолы образуют монослои на золоте, что актуально в нанотехнологиях. Некоторые ароматические тиолы могут быть получены с помощью реакции Герца. Дисульфиды R-S-S-R с ковалентной связью серы с серой важны для сшивания: в биохимии для правильного сворачивания и стабильности некоторых белков, а в полимерной химии – для вулканизации резины. Также известны более длинные серные цепи, например, в природном продукте варацине, который содержит необычное пентатиепиновое кольцо (цикл из пяти атомов серы, присоединенных к бензольному кольцу).

Тиоэстер

Тиоэстеры имеют общую структуру R−C(O)−S−R. Они связаны с обычными эфирами (R−C(O)−O−R), но более подвержены гидролизу и родственным реакциям. Тиоэстеры, образованные из коэнзима А, играют важную роль в биохимии, особенно в синтезе жирных кислот.

Сульфоксиды, сульфоны и тиосульфинаты

Сульфоксид, R–S(O)–R, является S-оксидом сульфида ("оксид сульфида"), сульфон, R–S(O)₂–R, является S,S-диоксидом сульфида, тиосульфинат, R–S(O)–S–R, является S-оксидом дисульфида, а тиосульфонат, R–S(O)₂–S–R, является S,S-диоксидом дисульфида. Все эти соединения хорошо известны и обладают обширной химией, например, диметилсульфоксид, диметилсульфон и аллицин (см. рисунок).

Сульфимиды, сульфоксимиды, сульфонедимины

Сульфимиды (также называемые сульфилиминами) — это соединения серы-азота со структурой R2S=NR′, азотный аналог сульфоксидов. Они представляют интерес, в частности, благодаря своим фармакологическим свойствам. Если к сере присоединены две различные группы R, сульфимиды являются хиральными. Сульфимиды образуют стабильные α-карбанионы. Сульфоксимиды (также называемые сульфоксиминами) — это тетракоординатные соединения серы-азота, изоэлектронные с сульфонами, в которых один атом кислорода сульфона замещен замещенным атомом азота, например, R2S(O)=NR′. Если к сере присоединены две различные группы R, сульфоксимиды являются хиральными. Значительный интерес к этому классу соединений вызван открытием того, что сульфоксимид метионина (сульфоксимин метионина) является ингибитором глутаминсинтетазы. Сульфодимины (также называемые сульфодиминами, сульфодимидами или сульфонедиимидами) — это тетракоординатные соединения серы-азота, изоэлектронные с сульфонами, в которых оба атома кислорода сульфона замещены замещенными атомами азота, например, R2S(=NR′)2. Они представляют интерес в связи с их биологической активностью и как строительные блоки для синтеза гетероциклов.

S-нитрозотиол

S-нитрозотиолы, также известные как тионитриты, – это соединения, содержащие нитрозогруппу, присоединенную к атому серы тиола, например, R–S–N=O. Они привлекли значительное внимание в биохимии, поскольку выступают в качестве доноров иона нитрозония (NO+) и оксида азота (NO), которые могут служить сигнальными молекулами в живых системах, особенно в связи с вазодилатацией.

Галоиды серы

Известен широкий спектр органосерных соединений, содержащих один или несколько атомов галогена ("X" в последующих химических формулах), связанных с одним атомом серы, например: сульфенилгалогениды, RSX; сульфинилгалогениды, RS(O)X; сульфонилгалогениды, RSO2X; алкил- и арилсульфуртрихлориды, RSCl3, и трифториды, RSF3; а также алкил- и арилсульфурпентафториды, RSF5. Менее известны диалкилсульфуртетрагалогениды, преимущественно представленные тетрафторидами, например, R2SF4.

Тиокетоны, тиоалдегиды и соединения, связанные с ними

Соединения с двойными связями между углеродом и серой относительно редки, но включают в себя важные соединения, такие как дисульфид углерода, карбонилсульфид и тиофосген. Тиокетоны (RC(=S)R′) редко встречаются с алкильными заместителями, однако тиобензофенон является одним из примеров. Тиоальдегиды еще более редки, что объясняется отсутствием стерической защиты ("тиоформальдегид" существует в виде циклического тримера). Тиоамиды, имеющие формулу R1C(=S)N(R2)R3, встречаются чаще. Обычно их получают реакцией амидов с реагентом Лоуэссона. Изотиоцианаты с формулой R−N=C=S встречаются в природе. К растительным продуктам с характерным вкусом, обусловленным изотиоцианатами, относятся васаби, хрен, горчица, редис, брюссельская капуста, кресс-салат, настурция и каперсы.

С-оксиды и С,С-диоксиды тиокарбонилсоединений

Оксиды S тиокарбонилсоединений известны как оксиды тиокарбонил S (R2C=S=O), а диоксиды S,S тиокарбонилсоединений – как сульфены (R2C=SO2). Оксиды тиона S также известны как сульфины, и хотя IUPAC считает этот термин устаревшим, он продолжает использоваться в литературе. Эти соединения хорошо изучены и обладают широкой химией. Примерами служат син-пропанэтиальный S-оксид и сульфен.

Трехкратные связи между углеродом и серой

Тройные связи между углеродом и серой в сульфалкинах редки и встречаются в моносульфиде углерода (CS), а также были предложены для соединений F3CCSF3 и F5SCSF3. Соединение HCSOH также изображается с формальной тройной связью.

Тиокарбоновые кислоты и тиоамиды

Хорошо известны тиокарбоновые кислоты (RC(O)SH) и дитиокарбоновые кислоты (RC(S)SH). Они структурно похожи на карбоновые кислоты, но более кислые. Тиоамиды аналогичны амидам.

Сульфоновые, сульфиновые и сульфеновые кислоты, эфиры, амиды и сопутствующие соединения

Сульфоновые кислоты имеют функциональную группу R−S(=O)2−OH. Это сильные кислоты, которые обычно растворимы в органических растворителях. Сульфоновые кислоты, такие как трифторметансульфоновая кислота, часто используются в органической химии. Сульфиновые кислоты имеют функциональную группу R−S(O)−OH, а сульфеновые кислоты – R−S−OH. В ряду сульфоновых – сульфиновых – сульфеновых кислот кислотность и стабильность уменьшаются в указанном порядке. Сульфонамиды, сульфинамиды и сульфенамиды, с формулами R−SO2NR′2, R−S(O)NR′2 и R−SNR′2 соответственно, обладают богатой химией. Например, сульфаниламидные препараты – это сульфонамиды, полученные в результате ароматического сульфонирования. Хиральные сульфинамиды применяются в асимметричном синтезе, а сульфенамиды широко используются в процессе вулканизации для облегчения сшивания. Тиоцианаты, R−S−CN, по реакционной способности связаны с сульфенилгалогенидами и эфирами.

Сульфоний, оксосульфоний и солей их соединений

Ион сульфония — положительно заряженный ион, содержащий три органических заместителя, связанных с серой, с формулой [R3S]+. Вместе с их отрицательно заряженным партнером, анионом, эти соединения называются солями сульфония. Ион оксосульфония — положительно заряженный ион, содержащий три органических заместителя и атом кислорода, связанных с серой, с формулой [R3S=O]+. Вместе с их отрицательно заряженным партнером, анионом, эти соединения называются солями оксосульфония. К родственным соединениям относятся ионы алкоксисульфония и хлоросульфония, [R2SOR]+ и [R2SCl]+ соответственно.

Сульфоний, оксосульфоний и тиокарбонилилгилиды

Депротонирование солей сульфония и оксосульфония приводит к образованию илидов, имеющих структуру R2S+−C−−R′2 и R2S(O)+−C−−R′2. Хотя сульфониевые илиды, например, в реакции Джонсона–Кори–Чайковского, используемой для синтеза эпоксидов, иногда изображают с двойной связью C=S, например, R2S=CR′2, иллидная углерод-сера связь сильно поляризована и точнее описывается как ионная. Сульфониевые илиды являются ключевыми промежуточными соединениями в синтетически полезной перегруппировке Стивенса. Тиокарбонилиллиды (RR′C=S+−C−−RR′) могут образовываться при раскрытии цикла тиранов, фотоциклизации арилвиниловых сульфидов, а также другими способами.

Органические соединения серы в природе

Разнообразные органосерные соединения встречаются в природе. Наиболее распространены аминокислоты метионин, цистеин и цистин. Витамины биотин и тиамин, а также липоевая кислота содержат гетероциклы, включающие серу. Глутатион является основным внутриклеточным антиоксидантом. Многие из этих природных соединений также обладают важными лекарственными свойствами, такими как предотвращение агрегации тромбоцитов или борьба с раком. Люди и другие животные обладают чрезвычайно чувствительным обонянием к запаху низковалентных органосерных соединений, таких как тиолы, сульфиды и дисульфиды. Неприятно пахнущие летучие тиолы являются продуктами распада белков, содержащимися в испорченных продуктах питания, поэтому их точная идентификация крайне важна для предотвращения отравления. Летучие соединения серы с низкой валентностью также обнаруживаются в местах с низким содержанием кислорода в воздухе, что представляет опасность удушья. Медь необходима для высокочувствительного обнаружения определенных летучих тиолов и связанных с ними органосерных соединений обонятельными рецепторами у мышей. Пока не установлено, требуется ли медь людям для чувствительного обнаружения тиолов.