تیول ها و تیوترها: خواص و واکنش های کلیدی

در اینجا خلاصه ای از پست امروز در مورد تیول ها آمده است:

فهرست مطالب

تیول ها و تیوترها
اولین چیزها اول: تیول ها بوی بدی دارند
تیول ها اسیدی تر از الکل ها هستند
گوگرد: کمتر اساسی، هسته دوست تر از اکسیژن
واکنش‌های رایج RS(–): واکنش‌های SN2 با آلکیل هالیدها
تفاوت های کلیدی بین تیول ها و الکل ها
خلاصه: تیول ها و تیوترها
یادداشت
خودت امتحان کن
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. تیول ها و تیوترها

یکی از قوی‌ترین بینش‌های حاصل از یادگیری جدول تناوبی این است که عناصر واقعی در همان دوره (ستون) دارای خواص شیمیایی مشابهی هستند.

برای مثال

فلزات قلیایی (Li، Na، K…) همگی نسبتاً به راحتی الکترون می ریزند تا کاتیون های تک ظرفیتی تشکیل دهند.
هالوژن ها (F، Cl، Br) همگی نسبتاً به راحتی الکترون به دست می آورند تا یون های هالید تشکیل دهند.
گازهای نجیب (He، Ne، Ar، Kr…) از نظر شیمیایی بی اثر هستند.

بنابراین، آنچه که ما در مورد واکنش پذیری گروه های عاملی مبتنی بر اکسیژن (O) آموخته ایم چگونه به پسرعموهای سنگین تر آن گوگرد (S)، سلنیوم (Se) و تلوریوم (Te) ترجمه می شود؟

به طور خاص، چگونه شیمی الکل ها (ROH) و اترها (ROR) با شیمی تیول ها (RSH) و تیواترها [معروف به سولفیدها] (RSR) مقایسه می شود؟.

سوال عالی! این موضوع پست امروز است، به ویژه تیول ها و تیوترها. ما واقعاً در مورد شیمی سلنیوم فراتر از ذکر مختصر اسیدیته آن صحبت نخواهیم کرد، و قطعاً به دنبال توصیه ولر در مورد دی اتیل تلوریم مبنی بر اینکه «بوی ناخوشایند و ماندگار آن به ناخوشایندی مرتبط است، به شیمی تلوریم نزدیک نمی شویم. دوست دارم بار دوم را تحمل کنم» و اینکه «بو آنقدر ماندگار است که برای اینکه دیگران را مورد آزار قرار ندهند باید چندین ماه از زندگی اجتماعی دوری کنند».

بیایید با چیزی که بین الکل ها / تیول ها، اترها / تیو اترها مشابه است شروع کنیم و سپس به آنچه بسیار متفاوت است برویم.

2. اولین چیزها اول: تیول ها بوی بدی دارند

یک کتاب درسی باز کنید که در مورد تیول ها صحبت می کند و یکی از اولین چیزهایی که آنها ذکر می کنند بوی بد آنها است. ما نمی خواهیم این سنت شرافتمندانه را اینجا در MOC بشکنیم.

سولفید هیدروژن (H2S) مسئول بوی تخم مرغ های فاسد و بوی بد دهان و سایر موارد ناخوشایند است. تیول ها در ایجاد بوی اسکانکس و آبجو “کمک” نقش دارند.

در طول دوران تحصیلم در مقطع کارشناسی ارشد، یکی از شیمیدانان برجسته آلی گوگرد در سراسر سالن، آزمایشگاهی داشت. اینها کسانی نبودند که شما بخواهید از آنها دور شوید. تصور کنید سوار اتوبوس شهری شوید و افرادی که در کنار شما هستند از روی صندلی‌های خود بلند شوند و به سمت پایین حرکت کنند. آن داستان ها از افراد حاضر در آن آزمایشگاه غیر معمول نبود.

BTW: بهترین دوست شیمیدان های گوگرد سفید کننده است که تیول های بدبو را به سولفوکسیدهای نسبتاً بی بو اکسید می کند (به شماره 5، زیر مراجعه کنید).

3. تیول ها بیشتر از الکل ها اسیدی هستند

ما دیده ایم که الکل ها نسبتا اسیدی هستند (pKa در حدود 16-17). تیول ها به طور متوسط ​​حدود 5 واحد pKa یا بیشتر از الکل ها اسیدی تر هستند (pKa حدود 11 برای تیول که در تصویر زیر مشاهده می شود). به یاد داشته باشید که pKa لگاریتمی است، به این معنی که آنها حدود 105 برابر اسیدی تر هستند.

چرا ممکن است؟

هنگام درک روند اسیدیته، فکر کردن به پایداری پایه مزدوج بسیار کمک می کند

به یاد داشته باشید که اسیدیته با هر عاملی که پایه مزدوج را تثبیت کند، افزایش می‌یابد. [از آنجایی که واکنش‌های اسید-باز تعادلی هستند، اگر محصول (باز مزدوج) را تثبیت کنیم، بنابراین تعادلی را که ماده اولیه (اسید) یک پروتون از دست می‌دهد، مطلوب‌تر می‌کنیم و کا را افزایش می‌دهیم. به عبارت دیگر، اسیدیته را افزایش می دهیم.]

در مورد گوگرد، بار منفی روی یک اتم بزرگتر (گوگرد > اکسیژن) حمل می شود و آن بار منفی در حجم بیشتری پراکنده می شود. حجم بیشتر = بار پراکنده بیشتر = پایداری بیشتر. به pKa بیشتر مولکول تصویر بالا توجه کنید (حدود 10-11).

همین امر در مورد سلنیوم که شعاع اتمی حتی بزرگتری دارد نیز صادق است. من نمی توانم مقدار pKa را برای پروپانزلنول پیدا کنم، اما آن را حدود 7-8 تخمین می زنم. [اگر کسی شماره بهتری دارد، لطفاً به من اطلاع دهد!]

نتیجه این واقعیت که باز مزدوج پایدارتر است این است که تیولات ها [پایه های مزدوج تیول ها] بازهای ضعیف تری نسبت به آلکوکسیدها هستند. [“هرچه اسید قوی تر، باز مزدوج ضعیف تر”].

4. گوگرد: کمتر اساسی، بیشتر هسته دوست

به یاد داشته باشید که چگونه آلکوکسیدها [RO–] می‌توانند به عنوان هسته دوست در واکنش‌های SN2 و همچنین پایه در واکنش‌های حذف (E2) عمل کنند؟ با تیولات‌ها [RS–]، واکنش‌های E2 مشکلی نیست. بازی ضعیف تر تیولات ها به این معنی است که فقط واکنش های SN2 با آلکیل هالیدها رخ می دهد.

تیول ها هسته دوست تر از الکل ها هستند و تیولات ها بیشتر از آلکوکسیدها هسته دوست هستند. از آنجایی که هسته دوستی با سرعت واکنش اندازه‌گیری می‌شود، به این معنی است که این هسته دوست‌های گوگردی تمایل دارند سریع‌تر با الکتروفیل‌های معمولی (مانند آلکیل هالیدها) واکنش نشان دهند تا پسرعموهای مبتنی بر اکسیژن.

چرا؟ همانطور که قبلاً بحث کردیم، الکترونگاتیوی کمتر گوگرد (نسبت به اکسیژن) به این معنی است که جفت الکترون های آن نسبت به اکسیژن محکم تر روی آنها قرار می گیرند و آنها را آماده تر می کند.

برای اهدا به الکتروفیل ها (مانند آلکیل هالیدها) در دسترس است. این روند با پایین آمدن ستونی از جدول تناوبی ادامه می یابد، بنابراین به طور کلی، هسته دوستی در این جهت نیز افزایش می یابد (یعنی RSe- حتی از RS- هسته دوست تر است).

5. واکنش های رایج تیولات ها: واکنش های SN2

دیده‌ایم که یکی از مهم‌ترین واکنش‌ها برای تشکیل اترها، سنتز اتر ویلیامسون است. در اینجا یک نمونه کتاب درسی از آنالوگ گوگرد این واکنش آورده شده است: جایگزینی آلکیل هالیدها با تیولات ها برای تشکیل تیواترها (همچنین به عنوان سولفید شناخته می شوند).

این فرآیند شبیه ویلیامسون به سه راهی است. ابتدا، یک باز قوی تیول را از پروتون خارج می کند (ما در اینجا از NaH استفاده می کنیم، اما بسیاری از بازهای دیگر نیز می توانند مورد استفاده قرار گیرند). در مرحله دوم، ما یک آلکیل هالید اضافه می کنیم و یک واکنش SN2 منجر به تشکیل S-C و شکستن C-Br با وارونگی استریوشیمی می شود.

همانطور که در بالا ذکر شد، توجه داشته باشید که اگر از یک آلکوکسید استفاده می کردیم، باید نگران رقابت واکنش E2 با SN2 باشیم. در مورد تیولات ها، به دلیل کاهش پایه آنها، مشکلی نیست.

از آنجایی که در امتحانات زیاد مطرح می شود، توجه به نسخه درون مولکولی آن مهم است. توجه داشته باشید که ما هنوز در حال تشکیل C-S در اینجا و شکستن پیوند کربن-هالید هستیم. فراموش نکنید که وارونگی در مرکز استریو روی کربن ثانویه رخ می‌دهد!

6. تفاوت های کلیدی بین الکل ها و تیول ها

الف. اکسیداسیون

در پست های قبلی دیدیم که الکل های اولیه به آلدهید و الکل های ثانویه به کتون اکسید می شوند.

این با تیول ها کار نمی کند! تیول ها به همان روش به پیوندهای π اکسید نمی شوند. پیوند π C-S در واقع به دلیل همپوشانی مداری ضعیف بسیار ضعیف است. [توجه زیر]

در عوض، دو نوع مختلف واکنش اکسیداسیون با تیول ها رخ می دهد.

تیول ها را می توان از طریق درمان با اکسیدان ملایمی مانند ید (I2) به دی سولفید اکسید کرد.
دومین مسیر اکسیداسیون شامل اکسیداسیون سولفیدها به سولفوکسیدها و سولفون ها از طریق تیمار اکسیدان هایی مانند O3 (ازون) و پراکسی اسیدهایی مانند m-chloroperoxybenzoic اسید (mCPBA) است. توجه داشته باشید که گوگرد می تواند از یک هشت الکترون فراتر رود در حالی که اکسیژن نمی تواند.

اکسیداسیون تیول ها به دی سولفیدها پیامدهای بیولوژیکی مهمی دارد. اسید آمینه مهم سیستئین حاوی یک گروه تیول است و پیوندهای دی سولفیدی مسئول ساختار سوم پروتئین ها هستند. آنها مانند “قلاب” عمل می کنند که به نگه داشتن قسمت های متفاوت زنجیره پپتیدی در کنار هم کمک می کند.

ب. پیوند هیدروژنی با تیول ها چندان مهم نیست

الکترونگاتیوی گوگرد فقط 2.6 است در حالی که هیدروژن 2.2 است. این بدان معناست که دوقطبی زیادی در پیوند S-H وجود ندارد و پیوند هیدروژنی قابل توجه نیست. H2O را با نقطه جوش 100 درجه سانتیگراد، با H2S و نقطه جوش آن 60- درجه سانتیگراد مقایسه کنید. نیروهای بین مولکولی خیلی قوی نیستند!

ج. واکنش ها با اسیدها کمی متفاوت است

در این سری از الکل‌ها و اترها، نمونه‌های بی‌شماری از درمان یک الکل یا اتر با H+ و تبدیل آن به اسید مزدوج خود را دیده‌ایم که باعث می‌شود گروه ترک بهتری در این فرآیند ایجاد شود.

این برای تیول ها چندان مهم نیست. پیوند S-H به طور قابل توجهی ضعیف تر از پیوند O-H است [81 kcal/mol در مقابل 109 kcal/mol].

ثانیاً، به دلیل دوقطبی کوچکتر (تفاوت الکترونگاتیوی) S-H در مقابل O-H، بار منفی جزئی کمتری روی گوگرد وجود دارد و بنابراین جاذبه الکترواستاتیکی کمتری بین S و H اسیدهای مختلف وجود دارد.

یک راه بهتر برای تبدیل گوگرد به یک گروه ترک خوب، درمان آن با اسیدهای لوئیس مانند Hg(OAc)2 است. ما واقعاً تئوری پایه اسیدی سخت-نرم (HSAB) را در اینجا در MOC پوشش نداده‌ایم (که موضوعی پیشرفته است) اما برای درک بیشتر تفاوت‌های واکنش‌پذیری O و S با اسیدهای مختلف، مقاله مرتبط ویکی‌پدیا مفید است. آغازگر.

د. هیچ گونه نسخه “تیو” بسیاری از واکنش های الکل ها وجود ندارد

ما واکنش های جالب بسیاری را دیده ایم که منجر به الکل ها و اپوکسیدها شده است. به عنوان مثال، درمان آلکن ها با OsO4 منجر به دیول های همسایه می شود. وسوسه انگیز است که فکر کنیم ممکن است واکنش مشابهی بین آلکن ها و OsS4 وجود داشته باشد تا دی تیول های همسایه ایجاد شود. وجود ندارد (و به دلیل عدم تلاش نیست). همچنین گوگردی معادل تشکیل اپوکسید از آلکن ها با، مثلاً، معادل گوگرد mCPBA وجود ندارد. بنابراین در حالی که حرکت به سمت پایین یک ستون از جدول تناوبی گاهی اوقات می تواند الهام مفیدی برای واکنش های جدید باشد، اغلب – به دلایل نامشخص – اینطور نیست.

7. خلاصه: تیول ها و تیوترها

در پست بعدی (آخرین پست ما در مورد الکل) همه واکنش‌هایی را که یاد گرفته‌ایم در یک «نقشه واکنش» قرار می‌دهیم.

پست بعدی:  سنتز (6) واکنش های الکل ها
یادداشت

در دبیرستان یک سخنران مهمان در مورد ساخت تیوآلدئیدها و تیوکتون ها سخنرانی کرد. من آن را از دست دادم، اما یک استاد ممتاز که در آزمایشگاه ما هود داشت، توانست شرکت کند. او گزارش داد: «آنچه از سمینار امروز در مورد پیوند C=S آموختم…. این است که شما نمی خواهید با پیوندهای C=S ترکیباتی بسازید، او با خنده گفت. [آنها کاملاً ناپایدار هستند]

[اخطار: این در مورد تیوآلدئیدها/تیوکتون ها صدق می کند. مولکول‌هایی مانند تیوآمیدها یا تیوره‌ها که در آن اتمی مانند N یا

O در مجاورت یاتاقان کربن C=S معمولاً پایدار هستند]

نکته 2: ویدئوی مربوط به این پست.

خودت امتحان کن

 

 

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
ثابت های تفکیک اسیدی تیول ها
جیمز پی.دانهی و کی.ان.پارامسواران
Journal of Chemical & Engineering Data 1968, 13 (3), 386-389
DOI: 1021/je60038a025
این شامل لیستی از pKa برای بیش از 100 تیول است. مرجع بسیار مفید
سنتز تیول ها، سولفیدها، سولفوکسیدها و سولفون ها
کریستوفر ام راینر
مصنوعی. 1995، 2، 409-440
DOI: 10.1039/CO9950200409
بررسی خوب در مورد شیمی گوگرد در سنتز آلی. شیمیدان دارویی برجسته درک لو یک سری پست با عنوان “چیزهایی که با آنها کار نمی کنم” در وبلاگ (عالی) خود دارد. دو تا از ترکیبات زیر به دلیل بوی بدشان در لیست قرار دارند – تیواستون (CH3CSCH3) و سلنوفنول (PhSeH).
https://blogs.sciencemag.org/pipeline/archives/2009/06/11/things_i_wont_work_with_thioacetone
https://blogs.sciencemag.org/pipeline/archives/2012/05/15/things_i_wont_work_with_selenophenol اتم های گوگرد روی یک کربن مجاور می توانند به واکنش پذیری کمک کنند. این به عنوان “مشارکت گروه همسایه” یا “کمک آنکیمری” شناخته می شود. این اولین بار توسط شیمیدان مشهور پروفسور Saul Winstein (UCLA) مشاهده شد که کمک های اساسی به شیمی آلی فیزیکی کرد.
سینتیک هیدرولیز و واکنش های جابجایی β،β’-دیکلرودی اتیل سولفید (گاز خردل) و β-کلرو-β″-هیدروکسی دی اتیل سولفید (کلروهیدرین خردل)
پل دی. بارتلت و سی. گاردنر. سویین
مجله انجمن شیمی آمریکا 1949، 71 (4)، 1406-1415
DOI: 10.1021/ja01172a076
هیدرولیز بیس (2-کلرواتیل) سولفید (سولفور خردل) در مخلوط های آبی اتانول، استون و دی متیل سولفوکسید
ایان تیلی
اوست جی. شیمی. 1993، 46، 293-300
DOI: 10.1071/CH9930293
یکی از نمونه های بارز مشارکت گروه همسایه، هیدرولیز “سولفور خردل” است. اتم گوگرد به این مولکول اجازه می دهد تا به راحتی هیدرولیز شود (هیدروکلروکلید تولید می کند)، زیرا می تواند یک اپی سولفونیوم میانی 3 عضوی را تشکیل دهد.
هیدرولیز مشتقات خردل در مخلوط های آبی استون-آب و اتانول-آب
یو چو یانگ، جی ریچارد وارد و توماس لوتران
مجله شیمی آلی 1986، 51 (14)، 2756-2759
DOI: 10.1021/jo00364a025
مشارکت گروه همسایه توسط گوگرد شامل حلقه‌های حلقه‌ای چهار عضوی (RS-4)
ارنست ال. الیل و دیوید ای ناکس
مجله انجمن شیمی آمریکا 1985، 107 (10)، 2946-2952
DOI: 10.1021/ja00296a019
اتم‌های گوگرد در خارج از آن نیز می‌توانند به عنوان گروه‌های همسایه عمل کنند که هندسه اجازه می‌دهد. تشکیل پیوند دی سولفیدی:
سینتیک و مکانیسم اکسیداسیون n-دودکانتیول و اتانتیول های جایگزین شده با پیریدین توسط مولکول ید در استونیتریل
دی لیو، دبلیو کنت ماسکر، و جویس تاکاهاشی دوی
مجله شیمی آلی 1982, 47 (25), 4860-4864
DOI: 1021/jo00146a008
این بیش از مکانیسم اکسیداسیون تیول ها با I2 است و شامل یک مکانیسم و ​​معادله سرعت جنبشی است.
https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/protocols/chemistry/fmoc-spps-cysteine-peptides.html#disulfide
اکسیداسیون تیول ها به دی سولفیدها به دلیل وجود اسید آمینه طبیعی سیستئین در زیست شناسی بسیار مهم است. اهمیت سیستئین در بیوشیمی به این دلیل است که گروه -SH می تواند پیوندهای دی سولفیدی ایجاد کند که یکی از نیروهای منجر به ساختار سوم پپتیدها و پروتئین ها است. پپتیدهای مصنوعی با 2 یا بیشتر باقیمانده Cys را می توان برای ایجاد پیوند دی سولفید اکسید کرد، و هنگامی که 3 یا بیشتر وجود دارد، این کاری است که باید به طور انتخابی انجام شود، همانطور که پیوند توضیح می دهد. به دلیل بوی بدتر آنها، ارگانوسلنیوم و – شیمی تلوریم بسیار کندتر از شیمی تیول مرتبط پیشرفت کرده است.
محاسبه نظری pKa سلنول‌ها در محلول‌های آبی با استفاده از مدل حل‌پذیری ضمنی و مولکول‌های آشکار آب
بیشنو تاپا و اچ برنهارد شلگل
The Journal of Physical Chemistry A 2016, 120 (44), 8916-8922
DOI: 10.1021/acs.jpca.6b09520
محاسبات نظری با تعیین تجربی یکسان نیستند، اما این یک مکان برای شروع است.
گروه همسایه فنیل سلنو حلولیز 2-فنیل سلنواتیل کلرید
ساموئل پی مک مانوس و دیوید هینکل لام
مجله شیمی آلی 1978، 43 (4)، 650-651
DOI: 10.1021/jo00398a028
سلنیوم همچنین می تواند در مشارکت گروهی همسایه شرکت کند.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.259.7611&rep=rep1&type=pdf
این نشریه توسط سیگما آلدریچ شامل بررسی شیمی ارگانوتلوریوم است.