stringtranslate.com

Тиофен

Тиофен представляет собой гетероциклическое соединение с формулой C 4 H 4 S. Состоящее из плоского пятичленного кольца, оно является ароматическим , о чем свидетельствуют его обширные реакции замещения . Это бесцветная жидкость с запахом бензола . В большинстве реакций он напоминает бензол . Соединения, аналогичные тиофену, включают фуран (C 4 H 4 O), селенофен (C 4 H 4 Se) и пиррол (C 4 H 4 NH), каждое из которых варьируется в зависимости от гетероатома в кольце.

Выделение и возникновение

Тиофен был открыт Виктором Мейером в 1882 году как 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. Виктор Мейер смог выделить тиофен как вещество, ответственное за эту реакцию. [4]

Тиофен и особенно его производные встречаются в нефти , иногда в концентрациях до 1–3%. Тиофеновые соединения из нефти и угля удаляются с помощью процесса гидрообессеривания (HDS). В HDS жидкое или газообразное сырье пропускают через катализатор на основе дисульфида молибдена под давлением H 2 . Тиофены подвергаются гидрогенолизу с образованием углеводородов и сероводорода . Таким образом, сам тиофен превращается в бутан и H 2 S. Более распространенными и более проблематичными 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 Марсианская научная лаборатория (MSL) в долгих и неуловимых поисках органического вещества на Красной планете. Нагревание при высокой температуре (от 500° до 820°C) образцов озерных аргиллитов с помощью прибора Sample Analysis at Mars (SAM) позволило провести газовую хроматографию-масс-спектрометрию ( ГХ-МС ) для анализа выделяющихся газов и обнаружения ароматических и алифатических молекул. включая несколько тиофеновых соединений. [6] Наличие связей углерод-сера в макромолекулах могло способствовать сохранению органического вещества на очень длительный срок. Подсчитано, что ~ 5 % органических молекул, анализируемых прибором SAM , содержат органическую серу. Остается неизвестным, является ли происхождение и способ образования этих молекул биотическим или абиотическим , [7] , но их открытие поставило загадочный вопрос о тиофеновых соединениях как возможной древней биосигнатуре на Марсе. Детальный анализ изотопов углерода (δ 13 C) на уровне следов с помощью марсианских марсоходов следующего поколения, таких как Розалинда Франклин , [8] будет необходим, чтобы определить, обогащены ли такие органические молекулы легким углеродом ( 12 C), как живые микро -организмы обычно обитают на Земле.

Синтез и производство

Отражая свою высокую стабильность, тиофены возникают в результате многих реакций с участием источников серы и углеводородов, особенно ненасыщенных. Первый синтез тиофена, о котором Мейер сообщил в том же году, когда он сделал свое открытие, включает ацетилен и элементарную серу. Тиофены классически получают реакцией 1,4-дикетонов , диэфиров или дикарбоксилатов с сульфидирующими реагентами, такими как P 4 S 10 , например, в синтезе тиофена Паала-Кнорра . Специализированные тиофены можно синтезировать аналогичным образом, используя реактив Ловессона в качестве сульфидирующего агента, или с помощью реакции Гевальда , которая включает конденсацию двух сложных эфиров в присутствии элементарной серы. Другой метод — циклизация Фольхарда – Эрдмана .

Тиофен производится в скромных масштабах - около 2000 метрических тонн в год во всем мире. Производство включает в себя реакцию паровой фазы источника серы, обычно сероуглерода , и источника C-4, обычно бутанола . Эти реагенты контактируют с оксидным катализатором при температуре 500–550 °С. [9]

Свойства и структура

При комнатной температуре тиофен представляет собой бесцветную жидкость с умеренно приятным запахом , напоминающим бензол , с которым тиофен имеет некоторые сходства. Высокая реакционная способность тиофена по отношению к сульфированию является основой отделения тиофена от бензола, которые трудно отделить перегонкой из -за схожих температур кипения (разница в 4 °C при давлении окружающей среды). Как и бензол, тиофен образует азеотроп с этанолом.

Молекула плоская; валентный угол у серы составляет около 93 °, угол C – C – S составляет около 109 °, а два других углерода имеют валентный угол около 114 °. [10] Связи C–C с атомами углерода, соседними 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 меньше, чем у бензола. «Электронные пары» серы значительно делокализованы в пи-электронной системе. Из-за своей ароматичности тиофен не проявляет свойств, наблюдаемых у обычных сульфидов . Например, атом серы сопротивляется алкилированию и окислению.

Окисление

Окисление может происходить как по сере, давая тиофен S -оксид, так и по 2,3-двойной связи, давая тиофен-2,3-эпоксид, с последующей перегруппировкой 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% (по данным ЯМР ): [12] [13]

По минорному пути реакции эпоксидирование Прилежаева [14] приводит к образованию тиофен-2,3-эпоксида, который быстро перегруппировывается в изомер тиофен-2-он. [12] Эксперименты по захвату [15] демонстрируют, что этот путь не является побочной реакцией промежуточного S -оксида, а изотопное мечение дейтерием подтверждает, что происходит 1,2-гидридный сдвиг и, таким образом , участвует катионный промежуточный продукт. [12] Если реакционная смесь не является безводной , этот второстепенный путь реакции подавляется, поскольку вода выступает в качестве конкурирующего основания. [12]

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

Алкилирование

Хотя атом серы относительно инертен, фланкирующие углеродные центры, положения 2 и 5, очень чувствительны к атаке электрофилов . Галогены сначала дают 2-галогенпроизводные, а затем 2,5-дигалотиофены; пергалогенирование легко осуществляется с образованием C 4 X 4 S (X = Cl, Br, I). [20] Тиофен бромируется в 10 7 раз быстрее, чем бензол. Ацетилирование происходит легко с образованием 2-ацетилтиофена , предшественника тиофен-2-карбоновой кислоты и тиофен-2-уксусной кислоты . [9]

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

Десульфуризация никелем Ренея

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

Полимеризация

Полимер, образующийся путем присоединения тиофена через 2,5 положения, называется политиофеном . Полимеризация проводится путем окисления с использованием электрохимических методов ( электрополимеризация ) или реагентов переноса электрона. Показано идеализированное уравнение:

п C 4 H 4 S → (C 4 H 2 S) n + 2n H + + 2n e −

Политиофен сам по себе имеет плохие технологические свойства и поэтому мало изучен. Более полезными являются полимеры, полученные из тиофенов, замещенных в положениях 3, 3 и 4, такие как ЭДОТ (этилендиокситиофен) . Политиофены становятся электропроводными при частичном окислении, т.е. приобретают некоторые характеристики, обычно наблюдаемые у металлов. [23]

Координационная химия

Тиофен мало похож на сульфид, но он служит пи-лигандом, образующим комплексы фортепьяно , такие как Cr( η 5 -C 4 H 4 S)(CO) 3 . [24]

Производные тиофена

Тиенил

При депротонировании тиофен превращается 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 с образованием тиенильных производных, таких как тиол. [25] Окисление тиениллития дает 2,2'-дитиенил, (C 4 H 3 S) 2 . Тиениллитий используется при получении смешанных купратов более высокого порядка . [26] Сочетание эквивалентов тиениланиона дает дитиенил , аналог бифенила.

Кольцеконденсированные тиофены

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

Использование

Тиофены являются важными гетероциклическими соединениями, которые широко используются в качестве строительных блоков во многих агрохимических 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 .

Рекомендации

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 . Королевское химическое общество . п. 141. дои : 10.1039/9781849733069. ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ СГС: ГЕСТИС 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». Химические обзоры . 34 (3): 393–434. дои : 10.1021/cr60109a003.
  5. ^ Воосен, Пол (2018). «Ровер НАСА сталкивается с органической грязью на Марсе» . Наука . doi : 10.1126/science.aau3992. ISSN  0036-8075. S2CID  115442477.
  6. ^ Эйгенброде, Дженнифер Л.; Вызов, Роджер Э.; Стил, Эндрю; Фрессине, Кэролайн; Миллан, Маэва; Наварро-Гонсалес, Рафаэль; Саттер, Брэд; Макадам, Эми С.; Франц, Хизер Б.; Главин, Дэниел П.; Арчер, Пол Д.; Махаффи, Пол Р.; Конрад, Памела Г.; Гуровиц, Джоэл А.; Гротцингер, Джон П.; Гупта, Санджив; Мин, Дуг В.; Самнер, Дон Ю.; Шопа, Кирилл; Малеспин, Чарльз; Бух, Арно; Колл, Патрис (2018). «Органическое вещество, сохранившееся в аргиллитах возрастом 3 миллиарда лет в кратере Гейла на Марсе» (PDF) . Наука . 360 (6393): 1096–1101. Бибкод : 2018Sci...360.1096E. дои : 10.1126/science.aas9185 . ISSN  0036-8075. PMID  29880683. S2CID  46983230.
  7. ^ Хайнц, Джейкоб; Шульце-Макух, Дирк (2020). «Тиофены на Марсе: биотическое или абиотическое происхождение?». Астробиология . 20 (4): 552–561. Бибкод : 2020AsBio..20..552H. дои : 10.1089/ast.2019.2139 . ПМИД  32091933.
  8. ^ «Ровер Curiosity обнаружил на Марсе органические молекулы. Вот почему они так интересны» . CNN . 6 марта 2020 г.
  9. ^ abc Суонстон, Джонатан (2006). «Тиофен». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a26_793.pub2. ISBN 3527306730..
  10. ^ ab Кембриджская база данных структурных данных
  11. ^ Трайбер, А., Дансетт, П.М., Амри, Х.Э., Жиро, Ж.-П., Гиндероу, Д., Морнон, Ж.-П., Мансуи, Д.; Дансетт; Эль Амри; Жиро; Гиндероу; Морнон; Мансуй (1997). «Химическое и биологическое окисление тиофена: получение и полная характеристика димеров тиофена S-оксида и доказательства существования тиофена S -оксида как промежуточного продукта в метаболизме тиофена in vivo и in vitro ». Варенье. хим. Соц . 119 (7): 1565–1571. дои : 10.1021/ja962466g.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ abcd Трейбер, Александр (2002). «Механизм ароматического гидроксилирования тиофена путем кислотно-катализируемого окисления перкислот». Дж. Орг. хим. 67 (21): 7261–7266. дои : 10.1021/jo0202177. ПМИД  12375952.
  13. ^ Кастер, Кеннет С.; Рао, А. Сомасекар; Мохан, Х. Рама; МакГрат, Николас А.; Бричачек, Мэтью (2012). «Трифторперуксусная кислота». Энциклопедия реагентов для органического синтеза . Электронная энциклопедия реагентов для органического синтеза EROS . дои : 10.1002/047084289X.rt254.pub2. ISBN 978-0471936237.
  14. ^ Хаген, Тимоти Дж. (2007). «Реакция Прилежаева». Ин Ли, Цзе Джек; Кори, Э.Дж. (ред.). Название Реакции превращений функциональных групп . Джон Уайли и сыновья . стр. 274–281. ISBN 9780470176504.
  15. ^ Анслин, Эрик В .; Догерти, Деннис А. (2006). «8.8 Разные эксперименты по изучению механизма». Современная физико-органическая химия . Университетские научные книги. стр. 471–482. ISBN 9781891389313.
  16. ^ Мансуи Д., Валадон П., Эрдельмейер И., Лопес Гарсия П., Амар К., Жиро Дж. П. и Дансетт П. М. (1991). «Тиофен S -оксиды как новые реактивные метаболиты: образование путем цитохром-P450-зависимого окисления и реакции с нуклеофилами». Варенье. хим. Соц . 113 (20): 7825–7826. дои : 10.1021/ja00020a089.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Радемахер П.М., Вудс К.М., Хуан К., Шкларц Г.Д., Нельсон С.Д.; Вудс; Хуан; Шклярц; Нельсон (2012). «Дифференциальное окисление двух тиофенсодержащих региоизомеров до реактивных метаболитов цитохромом P450 2C9». хим. Рез. Токсикол . 25 (4): 895–903. дои : 10.1021/tx200519d. ПМЦ 3339269 . ПМИД  22329513. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Мансуи Д., Dansette PM; Дансетт (2011). «Сульфеновые кислоты как реактивные промежуточные продукты метаболизма ксенобиотиков». Архив биохимии и биофизики . 507 (1): 174–185. дои : 10.1016/j.abb.2010.09.015. ПМИД  20869346.
  19. ^ Дансетт, П.М., Рози, Дж., Дебернарди, Дж., Берто Дж., Мансуи Д.; Рози; Дебернарди; Берто; Мансуй (2012). «Метаболическая активация прасугрела: природа двух конкурентных путей, приводящих к открытию его тиофенового кольца». хим. Рез. Токсикол. 25 (5): 1058–1065. дои : 10.1021/tx3000279. ПМИД  22482514. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Генри Ю. Лью и Ч. Р. Ноллер (1963). «2-Йодолтиофен». Органические синтезы; Сборник томов , т. 4, с. 545.
  21. ^ WS Эмерсон и Т.М. Патрик младший (1963). «2-Винилтиофен». Органические синтезы; Сборник томов , т. 4, с. 980.
  22. ^ КБ Виберг и Х. Ф. МакШейн (1955). «2-Хлорметилтиофен». Органические синтезы; Сборник томов , т. 3, с. 1.
  23. ^ Дж. Ронкали (1992). «Сопряженные поли(тиофены): синтез, функционализация и применение». хим. Откр. 92 (4): 711–738. дои : 10.1021/cr00012a009.
  24. ^ Раухфусс, ТБ, «Координационная химия тиофена», Прогресс в неорганической химии, 1991, том 39, стр. 259-311. ISBN 978-0-471-54489-0 
  25. ^ Э. Джонс и М. Муди (1988). «2-Тиофентиол». Органические синтезы; Сборник томов , т. 6, с. 979.
  26. ^ Липшуц, Брюс Х .; Моретти, Роберт; Кроу, Роберт (1990). «Смешанные эпоксидные отверстия высшего порядка, индуцированные цианокупратом: 1-бензилокси-4-пентен-2-ол». Орг. Синтез . 69 : 80. дои : 10.15227/orgsyn.069.0080.
  27. ^ Дэниел Леднисер (1999). Органическая химия синтеза лекарств . Том. 6. Нью-Йорк: Wiley Interscience. п. 187. ИСБН 0-471-24510-0.

Внешние ссылки