Тиолы, сульфиды и дисульфиды

Зачем изучать органические соединения серы, фосфора и кремния

Сера, фосфор и кремний стоят в периодической системе под кислородом, азотом и углеродом, и их органические соединения на первый взгляд похожи на знакомые спирты, амины и алканы. Но крупные атомы третьего периода ведут себя иначе: тиолы кислее спиртов и сильно пахнут, сульфоксиды бывают хиральными, фосфины — сильные нуклеофилы, прочно связывающиеся с кислородом, а кремний легко уступает место кислороду и фтору. Из этих свойств выросли важные реагенты — илиды Виттига, тозилаты, силильные защитные группы, — а также лекарства, гербициды и силиконы.

аллицин: запах чеснока

глифосат: гербицид

тетраметилсилан: стандарт ЯМР

На рисунке — по одному представителю каждого элемента: аллицин отвечает за запах чеснока, глифосат — широко применяемый гербицид со связью P–C, а тетраметилсилан служит стандартом в спектроскопии ЯМР. В этой теме мы научимся получать тиолы, сульфиды и продукты их окисления, производные сульфокислот, фосфины, соли фосфония и фосфонаты, кремнийорганические соединения и использовать серу, фосфор и кремний в синтезе.

Как построена эта тема

Урок 397 посвящён тиолам, сульфидам и дисульфидам, урок 398 — сульфоксидам, сульфонам и производным сульфокислот. В уроке 399 мы разберём фосфины, соли фосфония, фосфиты и фосфонаты, а в уроке 400 — силаны, силиконы и кремний в синтезе. Урок 401 — практикум по всей теме.

Тиолы: свойства и получение

Сера стоит в периодической системе под кислородом, и тиол похож на спирт: в нём группа SH вместо группы OH. Но атом серы крупнее и легче поляризуется, поэтому тиолы кислее спиртов, их сопряжённые основания — сильные и мягкие нуклеофилы (урок 30), а запах тиолов очень сильный и неприятный.

Как сравнить тиол со спиртом и получить его

1. Сравните кислотность: pKa тиола около 10–11, а у спирта — 16–18, поэтому тиолы растворяются в водной щёлочи.
2. Сравните нуклеофильность: тиолят-ион — мягкий сильный нуклеофил и слабое основание, поэтому даже со вторичными галогенидами он даёт продукт замещения, а не отщепления.
3. Учтите водородные связи: группы S–H образуют слабые водородные связи, и тиолы кипят ниже спиртов той же молярной массы и ниже своих кислородных аналогов.
4. Выберите способ получения: галогенид с избытком NaSH; галогенид с тиомочевиной, а затем гидролиз соли изотиурония щёлочью; реактив Гриньяра с серой и затем кислота; соль диазония с этилксантогенатом калия и затем гидролиз; присоединение \(\ce{H2S}\) к алкену в серной кислоте по правилу Марковникова, которое даёт третичный тиол.

Примеры

1. Бутан-1-тиол через соль изотиурония. 1-Бромбутан при нагревании с тиомочевиной в этаноле даёт соль изотиурония, в которой атом серы уже связан с алкилом. Гидролиз этой соли щёлочью и подкисление освобождают бутан-1-тиол \(\ce{C4H9SH}\) (верхний ряд рисунка).

2. Трет-бутилтиол. 2-Метилпропен присоединяет \(\ce{H2S}\) в присутствии серной кислоты по правилу Марковникова и даёт 2-метилпропан-2-тиол. Его в малых количествах добавляют к бытовому газу, чтобы утечку можно было почувствовать по запаху (нижний ряд рисунка).

Сульфиды, соли сульфония и дисульфиды

Тиолят-ион — отличный нуклеофил в реакциях \(S_N2\) (урок 85), поэтому сульфиды собирают так же, как простые эфиры по Вильямсону, только легче. Сульфид сам остаётся нуклеофилом и алкилируется дальше до соли сульфония, а тиолы легко окисляются до дисульфидов.

Как получить сульфид и что он умеет

1. Соберите сульфид: тиолят с галогенидом даёт сульфид R–S–R′, сульфид натрия с двумя молями галогенида — симметричный сульфид \(\ce{R2S}\), а дигалогенид с \(\ce{Na2S}\) — циклический сульфид.
2. Сульфид алкилируется галогенидом R′X и обратимо даёт соль сульфония \(\ce{R2S+R'}\); основание превращает соли сульфония в илиды серы (тема 20).
3. Учтите соседнюю серу: в β-хлорсульфиде атом серы вытесняет хлорид изнутри молекулы, и образующийся эписульфониевый ион затем раскрывает внешний нуклеофил.
4. Тиираны (этиленсульфиды) получают из оксиранов и роданида калия; нуклеофилы раскрывают их, как эпоксиды: амины дают 2-аминоэтантиолы, \(\ce{LiAlH4}\) — тиолы, реактивы Гриньяра — тиолы, цепь которых длиннее на два атома углерода.
5. Тиолы окисляются иодом, бромом, пероксидом водорода или кислородом воздуха до дисульфидов RS–SR, а восстановители (цинк в уксусной кислоте, натрий в аммиаке, \(\ce{LiAlH4}\) или избыток другого тиола) возвращают тиолы.
6. С хлорангидридами тиолы дают тиоэфиры \(\ce{RCOSR'}\); такой тиоэфир — ацетил-КоА (тема 29).

Примеры

1. Соль сульфония. Диметилсульфид \(\ce{(CH3)2S}\) с иодметаном даёт иодид триметилсульфония (верхний ряд рисунка). Сильное основание превращает эту соль в илид серы, который переносит группу \(\ce{CH2}\) на карбонильное соединение и даёт эпоксид (тема 20).

2. Тиол и дисульфид. Иод окисляет тиолы в дисульфиды: \(\ce{2RSH + I2 -> RS-SR + 2HI}\). Дитиотреитол или 2-меркаптоэтанол восстанавливают дисульфидный мостик обратно — так в биохимии разрывают мостики между остатками цистеина (тема 29).