有机化学中的硫元素,可软可硬,真的不简单!

学术   2024-11-12 08:08   广东  
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1.有机化学中的硫元素
元素周期表中第三周期的硫、硅和磷在有机化学中扮演着重要的角色,均能形成稳定的有机化合物,许多有生物活性的化合物、药物中含有硫元素(青霉素类抗生素,抗氧剂谷胱甘肽等)。硫、硅和磷与第二周期的碳、氮、氧的最大区别在于前者有5个3d轨道,因而可以形成更多的键。例如,硅可以形成四面体结构的硅烷,也可以形成稳定的5价硅负离子。
有机化合物中硫元素有多种氧化态(2,4,6),即从二价的有机硫化物(sulfide)到6价的砜(sulfone),硫的配位数更多(从0到7)。
2.有机硫化物的化学反应性具有多样性
有机硫化物发生化学反应时既可以作为亲电试剂,也可以作为亲核试剂,具有多样性,具体的可以从下面几个方面来理解:
①二价的硫化物是良好的亲核试剂,例如硫醇(thiol)。根据前线轨道理论,硫元素上的未成键电子对位于3sp3轨道上,与醇(未成键电子对位于2sp3轨道)相比,硫醇具有更高能量的未成键电子对,因而在发生SN2反应时,硫醇的亲核性强于醇。(The best nucleophiles have high-energy occupied molecular orbitals HOMOsthe best electrophiles have low-energy unoccupied molecular orbitals LUMOs)

注意:上例中硫醇负离子并未进攻羰基。因为硫醇或硫醇负离子是软亲核试剂(soft electrophiles),HOMO轨道能量较高,倾向于进攻饱和碳原子,发生SN2反应。而醇或氧负离子是硬亲核试剂(hard electrophiles),HOMO轨道能量较低,易于攫取质子或者进攻羰基。
②二价的硫化物也可以是良好的亲电试剂例如亚磺酰氯(sulfenyl chlorides, RSCl)能与烯烃发生反式加成
二硫化物(disulfide)与硫酰氯(sulfuryl chloride)反应便可得到亚磺酰氯。该反应中二硫化物是亲核试剂,进攻硫酰氯中亲电性的氯原子生成锍盐(sulfonium salt)、二氧化硫和氯离子。接着氯离子进攻亲电性的锍盐生成亚磺酰氯。(注意:Thionyl chloride SOCl2 is electrophilic at sulfur but sulfuryl chloride SO2Cl2 is electrophilic at chlorine.)

③一般而言高氧化态的硫化物是硬亲电试剂。例如对甲苯磺酰氯与醇反应,对甲苯磺酰氯是亲电试剂。
但是对甲苯磺酰氯被锌粉还原成负离子后变成一个亲核试剂,易发生SN2反应。
3.硫能稳定碳负离子
强碱(例如正丁基锂)能攫取硫化物、亚砜和砜α位的氢原子产生碳负离子,值得注意的是硫化物和亚砜α位的碳负离子是sp3杂化的,而砜α位的碳负离子是sp2杂化的,孤对电子位于p轨道上,且位于两个S=O键的中间。
硫是如何稳定碳负离子的了,其解释存在很多争议,其中有两种因素是认可度比较高的。一是硫化物、亚砜和砜α位氢原子的酸性(pKa),如下图所示,砜α位氢原子的酸性最强,因而其稳定碳负离子的作用也最强。

另一种解释类似于异头碳效应。量子力学计算表明,-CH2SH中的C-S键比CH3SH中的长一些,这说明有电子云从硫原子的另一边离域到了C-S键的反键轨道σ*。如下图所示,直立键上的氢原子酸性比平伏键上的氢原子酸性弱。     

  

4.硫能稳定碳负离子的性质在合成中的应用
①生物素的合成
  
②硫代缩醛

硫代缩醛比缩醛稳定,在酸性条件下不易脱除
③硫叶立德

用于环氧或环丙烷的生成,一般情况下,稳定型的硫叶立德(带有吸电子基团或者是亚砜)更易形成环丙烷。
5.锍盐
锍盐是一种很好的亲电试剂,一方面锍盐被亲核试剂进攻,中性的硫化物作为离去基团(例如亚硫酰氯的制备),另一方面,锍盐被强碱攫取氢原子生成叶立德。
最常见的一个反应便是Swern氧化
6.含硫的合成子
在杂环化学的学习研究中,含硫的合成子同样备受化学家们的关注,借以合成丰富多彩,具有不同功能或药效的杂环。

本文转自:OrChem,有补充,内容多数来源自国外教材——克莱登等人的《有机化学》,我们内有该教材,欢迎加入

有机合成大菜籽
一线有机合成工作者💀专注于合成化学领域🥼分享一些书本上没有的合成经验技巧⚖️助力年轻人少走弯路💡
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