stringtranslate.com

Тиофен

Тиофен — гетероциклическое соединение с формулой C4H4S . Состоящий из плоского пятичленного кольца, он ароматичен , на что указывают его обширные реакции замещения . Это бесцветная жидкость с запахом, похожим на запах бензола . В большинстве своих реакций он напоминает бензол . Соединения , аналогичные тиофену, включают фуран ( C4H4O ) , селенофен ( C4H4Se ) и пиррол ( C4H4NH ) , каждое из которых отличается гетероатомом в кольце.

Изоляция и возникновение

Тиофен был открыт Виктором Мейером в 1882 году как загрязняющая примесь в бензоле. [3] Было замечено, что изатин ( индол ) образует синий краситель , если его смешать с серной кислотой и сырым бензолом. Долгое время считалось, что образование синего индофенина является реакцией самого бензола. Виктору Мейеру удалось выделить тиофен как фактическое вещество, ответственное за эту реакцию. [4]

Тиофен и особенно его производные встречаются в нефти , иногда в концентрациях до 1–3%. Тиофеновое содержание нефти и угля удаляется с помощью процесса гидродесульфурации (HDS). В HDS жидкое или газообразное сырье пропускается через форму катализатора дисульфида молибдена под давлением H2 . Тиофены подвергаются гидрогенолизу с образованием углеводородов и сероводорода . Таким образом, сам тиофен превращается в бутан и H2S . Более распространенными и более проблемными в нефти являются бензотиофен и дибензотиофен .

На Марсе

Производные тиофена были обнаружены на уровне наномолей в отложениях марсианской почвы возрастом 3,5 миллиарда лет (формация Мюррей, холмы Парамп) марсоходом Curiosity в кратере Гейла (Марс) в период с 2012 по 2017 год. [5] Это представляет собой важную веху для миссии Mars Science Laboratory (MSL) в долгом и неуловимом поиске органического вещества на красной планете. Нагревание при высокой температуре (от 500° до 820 °C) образцов озерного аргиллита с помощью прибора Sample Analysis at Mars (SAM) позволило провести анализ выделяющихся газов методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии ( ГХ-МС ) и обнаружить ароматические и алифатические молекулы, включая несколько соединений тиофена. [6] Наличие связей углерод-сера в макромолекулах могло способствовать сохранению органического вещества в течение очень длительного времени. Подсчитано, что ~ 5 % органических молекул, проанализированных прибором SAM , содержат органическую серу. Остается неизвестным, является ли происхождение и способ образования этих молекул биотическим или абиотическим [7] , но их открытие выдвинуло загадочный вопрос о тиофеновых соединениях как возможной древней биосигнатуре на Марсе. Подробный анализ изотопов углерода (δ 13 C) на уровне следов следующим поколением марсоходов, таких как Rosalind Franklin [ 8], будет необходим для определения того, обогащены ли такие органические молекулы легким углеродом ( 12 C), как обычно обогащены живые микроорганизмы на Земле.

Синтез и производство

Отражая свою высокую стабильность, тиофены возникают во многих реакциях с участием источников серы и углеводородов, особенно ненасыщенных. Первый синтез тиофена Мейером, о котором было сообщено в том же году, когда он сделал свое открытие, включал ацетилен и элементарную серу. Тиофены классически получаются реакцией 1,4-дикетонов , диэфиров или дикарбоксилатов с сульфидирующими реагентами, такими как P 4 S 10 , например, в синтезе тиофена Пааля-Кнорра . Специализированные тиофены могут быть синтезированы аналогичным образом с использованием реагента Лоуссона в качестве сульфидирующего агента или с помощью реакции Гевальда , которая включает конденсацию двух эфиров в присутствии элементарной серы. Другой метод — циклизация Фольхарда-Эрдмана .

Тиофен производится в скромных масштабах, около 2000 метрических тонн в год по всему миру. Производство включает реакцию паровой фазы источника серы, как правило, дисульфида углерода , и источника C-4, как правило, бутанола . Эти реагенты контактируют с оксидным катализатором при 500–550 °C. [9]

Свойства и структура

При комнатной температуре тиофен представляет собой бесцветную жидкость со слегка приятным запахом, напоминающим запах бензола , [ требуется цитата ] с которым тиофен имеет некоторые сходства. Высокая реакционная способность тиофена к сульфированию является основой для разделения тиофена и бензола, которые трудно разделить перегонкой из -за их схожих температур кипения (разница в 4 °C при атмосферном давлении). Как и бензол, тиофен образует азеотроп с этанолом.

Молекула плоская; угол связи у серы составляет около 93°, угол C–C–S составляет около 109°, а два других углерода имеют угол связи около 114°. [10] Связи C–C с углеродом, соседним с серой, составляют около 1,34  Å , длина связи C–S составляет около 1,70 Å, а другая связь C–C составляет около 1,41 Å. [10]

Реактивность

Тиофен считается ароматическим, хотя теоретические расчеты показывают, что степень ароматичности у него ниже, чем у бензола. «Электронные пары» серы значительно делокализованы в системе пи-электронов . Вследствие своей ароматичности тиофен не проявляет свойств, наблюдаемых у обычных сульфидов . Например, атом серы устойчив к алкилированию и окислению.

Окисление

Окисление может происходить как по сере, давая S -оксид тиофена , так и по 2,3-двойной связи, давая 2,3-эпоксид тиофена, за которым следует последующая перегруппировка сдвига NIH . [11] Окисление тиофена трифторперуксусной кислотой также демонстрирует оба пути реакции. Основной путь образует S -оксид в качестве промежуточного продукта, который подвергается последующей димеризации типа Дильса-Альдера и дальнейшему окислению, образуя смесь сульфоксидных и сульфоновых продуктов с общим выходом 83% (на основе данных ЯМР ): [12] [13]

В побочном пути реакции эпоксидирование Прилежаева [14] приводит к образованию тиофен-2,3-эпоксида, который быстро перестраивается в изомер тиофен-2-он. [12] Эксперименты по улавливанию [15] показывают, что этот путь не является побочной реакцией от промежуточного S -оксида, в то время как изотопная маркировка дейтерием подтверждает , что происходит сдвиг 1,2-гидрида и, таким образом, что участвует катионный промежуточный продукт. [12] Если реакционная смесь не является безводной , этот побочный путь реакции подавляется, поскольку вода действует как конкурирующее основание. [12]

Окисление тиофенов может иметь отношение к метаболической активации различных содержащих тиофен препаратов, таких как тиениловая кислота и исследуемый противораковый препарат OSI-930. [16] [17] [18] [19]

Алкилирование

Хотя атом серы относительно нереакционноспособен, фланкирующие углеродные центры, 2- и 5-позиции, весьма восприимчивы к атакам электрофилов . Галогены дают сначала 2-галогенпроизводные, а затем 2,5-дигалогентиофены; пергалогенирование легко осуществляется с получением C4X4S ( X = Cl, Br, I). [20] Тиофен бромируется в 107 раз быстрее, чем бензол. Ацетилирование происходит легко с получением 2-ацетилтиофена , предшественника тиофен-2-карбоновой кислоты и тиофен-2-уксусной кислоты . [9]

Хлорметилирование и хлорэтилирование легко происходят в 2,5-положениях. Восстановление хлорметильного продукта дает 2-метилтиофен. Гидролиз с последующей дегидратацией хлорэтильных видов дает 2-винилтиофен. [21] [22]

Десульфурация никелем Ренея

Десульфурация тиофена никелем Ренея дает бутан . В сочетании с легкой 2,5-дифункционализацией тиофена десульфурация обеспечивает путь к 1,4-дизамещенным бутанам.

Полимеризация

Полимер, образованный путем связывания тиофена через его 2,5 положения, называется политиофеном . Полимеризация проводится путем окисления с использованием электрохимических методов ( электрополимеризация ) или реагентов переноса электронов. Идеализированное уравнение показано:

н С4Н4S → ( С4Н2S ) н + 2н Н + + 2н е −

Сам политиофен имеет плохие технологические свойства и поэтому мало изучен. Более полезными являются полимеры, полученные из тиофенов, замещенных в 3- и 3- и 4- позициях, такие как EDOT (этилендиокситиофен) . Политиофены становятся электропроводящими при частичном окислении, т.е. они приобретают некоторые характеристики, обычно наблюдаемые у металлов. [23]

Координационная химия

Тиофен проявляет слабые сульфидоподобные свойства, но он служит пи-лигандом, образующим комплексы пианистического стула , такие как Cr( η 5 -C 4 H 4 S)(CO) 3 . [24]

Производные тиофена

Тиенил

При депротонировании тиофен преобразуется в тиенильную группу, C 4 H 3 S − . Хотя аниона как такового не существует, литийорганические производные существуют. Таким образом, реакция тиофена с бутиллитием дает 2-литиотиофен, также называемый 2-тиениллитием. Этот реагент реагирует с электрофилами, давая тиенилпроизводные, такие как тиол. [25] Окисление тиениллития дает 2,2'-дитиенил, (C 4 H 3 S) 2 . Тиениллитий используется для получения смешанных купратов более высокого порядка . [26] Связывание эквивалентов тиенил-аниона дает дитиенил , аналог бифенила.

Кольцевые тиофены

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

Использует

Тиофены — важные гетероциклические соединения, которые широко используются в качестве строительных блоков во многих агрохимикатах и ​​фармацевтических препаратах. [9] Бензольное кольцо биологически активного соединения часто может быть заменено тиофеном без потери активности. [27] Это видно на таких примерах, как НПВП лорноксикам , тиофеновый аналог пироксикама , и суфентанил , тиофеновый аналог фентанила .

Ссылки

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013. Королевское химическое общество . стр. 141. doi :10.1039/9781849733069. ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ СГС: GESTIS 010090
  3. ^ Мейер, Виктор (1883). «Ueber den Begleiter des Benzols im Steinkohlenteer» [О веществе, которое сопровождает бензол в каменноугольной смоле]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft . 16 : 1465–1478. дои : 10.1002/cber.188301601324.
  4. ^ Уорд К., Самптер (1944). «Химия изатина». Chemical Reviews . 34 (3): 393–434. doi :10.1021/cr60109a003.
  5. ^ Voosen, Paul (2018). «Марсоход NASA находит органические залежи на Марсе». Science . doi :10.1126/science.aau3992. ISSN  0036-8075. S2CID  115442477.
  6. ^ Эйгенброд, Дженнифер Л.; Саммонс, Роджер Э.; Стил, Эндрю; Фрейссинет, Кэролайн; Миллан, Маева; Наварро-Гонсалес, Рафаэль; Саттер, Брэд; МакАдам, Эми К.; Франц, Хизер Б.; Главин, Дэниел П.; Арчер, Пол Д.; Махаффи, Пол Р.; Конрад, Памела Г.; Гуровиц, Джоэл А.; Гротцингер, Джон П.; Гупта, Санджив; Минг, Дуг В.; Самнер, Дон Й.; Сопа, Сирил; Малеспен, Чарльз; Бух, Арно; Колл, Патрис (2018). «Органическое вещество, сохранившееся в аргиллитах возрастом 3 миллиарда лет в кратере Гейла, Марс» (PDF) . Наука . 360 (6393): 1096–1101. Bibcode : 2018Sci...360.1096E. doi : 10.1126/science.aas9185 . ISSN  0036-8075. PMID  29880683. S2CID  46983230.
  7. ^ Хайнц, Якоб; Шульце-Макух, Дирк (2020). «Тиофены на Марсе: биотическое или абиотическое происхождение?». Астробиология . 20 (4): 552–561. Bibcode : 2020AsBio..20..552H. doi : 10.1089/ast.2019.2139 . PMID  32091933.
  8. ^ «Марсоход Curiosity обнаружил органические молекулы на Марсе. Вот почему они так интересны». CNN . 6 марта 2020 г.
  9. ^ abc Swanston, Jonathan (2006). "Тиофен". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a26_793.pub2. ISBN 3527306730..
  10. ^ ab Кембриджская структурная база данных
  11. ^ Treiber, A., Dansette, PM, Amri, HE, Girault, J.-P., Ginderow, D., Mornon, J.-P., Mansuy, D.; Dansette; El Amri; Girault; Ginderow; Mornon; Mansuy (1997). "Химическое и биологическое окисление тиофена: приготовление и полная характеристика димеров S-оксида тиофена и доказательства того, что S -оксид тиофена является промежуточным продуктом в метаболизме тиофена in vivo и in vitro ". J. Am. Chem. Soc . 119 (7): 1565–1571. doi :10.1021/ja962466g.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ abcd Трейбер, Александр (2002). «Механизм ароматического гидроксилирования тиофена окислением надкислот, катализируемым кислотой». J. Org. Chem. 67 (21): 7261–7266. doi :10.1021/jo0202177. PMID  12375952.
  13. ^ Кастер, Кеннет К.; Рао, А. Сомасекар; Мохан, Х. Рама; МакГрат, Николас А.; Бричачек, Мэтью (2012). "Трифторперуксусная кислота". Энциклопедия реагентов для органического синтеза . e-EROS Энциклопедия реагентов для органического синтеза . doi :10.1002/047084289X.rt254.pub2. ISBN 978-0471936237.
  14. ^ Хаген, Тимоти Дж. (2007). «Реакция Прилежаева». В Ли, Джи Джек; Кори, Э. Дж. (ред.). Реакции именования преобразований функциональных групп . John Wiley & Sons . стр. 274–281. ISBN 9780470176504.
  15. ^ Anslyn, Eric V. ; Dougherty, Dennis A. (2006). "8.8 Различные эксперименты для изучения механизма". Современная физическая органическая химия . University Science Books. стр. 471–482. ISBN 9781891389313.
  16. ^ Mansuy, D., Valadon, P., Erdelmeier, I., López García, P., Amar, C., Girault, JP и Dansette, PM (1991). «Оксиды тиофена S как новые реактивные метаболиты: образование при цитохром-P450-зависимом окислении и реакции с нуклеофилами». J. Am. Chem. Soc . 113 (20): 7825–7826. doi :10.1021/ja00020a089.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Rademacher PM, Woods CM, Huang Q., Szklarz GD, Nelson SD; Woods; Huang; Szklarz; Nelson (2012). «Дифференциальное окисление двух тиофенсодержащих региоизомеров до реактивных метаболитов цитохромом P450 2C9». Chem. Res. Toxicol . 25 (4): 895–903. doi :10.1021/tx200519d. PMC 3339269. PMID  22329513 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Mansuy D., Dansette PM; Dansette (2011). «Сульфеновые кислоты как реактивные промежуточные продукты в метаболизме ксенобиотиков». Архивы биохимии и биофизики . 507 (1): 174–185. doi :10.1016/j.abb.2010.09.015. PMID  20869346.
  19. ^ Dansette, PM, Rosi, J, Debernardi, J, Bertho G, Mansuy D; Rosi; Debernardi; Bertho; Mansuy (2012). «Метаболическая активация прасугреля: природа двух конкурентных путей, приводящих к открытию его тиофенового кольца». Chem. Res. Toxicol. 25 (5): 1058–1065. doi :10.1021/tx3000279. PMID  22482514. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Генри И. Лью и К. Р. Ноллер (1963). "2-Иодолтиофен". Органические синтезы; Собрание томов , т. 4, стр. 545.
  21. ^ WS Emerson и TM Patrick Jr. (1963). "2-Винилтиофен". Органические синтезы; Собрание томов , т. 4, стр. 980.
  22. ^ KB Wiberg и HF McShane (1955). "2-Хлорметилтиофен". Органические синтезы; Собрание томов , т. 3, стр. 1.
  23. ^ J. Roncali (1992). «Сопряженные поли(тиофены): синтез, функционализация и применение». Chem. Rev. 92 (4): 711–738. doi :10.1021/cr00012a009.
  24. ^ Раухфус, ТБ, «Координационная химия тиофенов», Progress in Inorganic Chemistry 1991, том 39, стр. 259-311. ISBN 978-0-471-54489-0 
  25. ^ E. Jones и IM Moodie (1988). "2-Тиофентиол". Органические синтезы; Собрание томов , т. 6, стр. 979.
  26. ^ Липшуц, Брюс Х.; Моретти, Роберт; Кроу, Роберт (1990). «Смешанные открытия эпоксидов высшего порядка, вызванные цианокупратом: 1-бензилокси-4-пентен-2-ол». Org. Synth . 69 : 80. doi :10.15227/orgsyn.069.0080.
  27. ^ Дэниел Ледницер (1999). Органическая химия синтеза лекарств . Том 6. Нью-Йорк: Wiley Interscience. стр. 187. ISBN 0-471-24510-0.

Внешние ссылки