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.
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.
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.