ジスルフィド

ジスルフィドは、C–S–S–C二面角が90°に近い。ジフェニルジスルフィド のS–S結合長は2.03Åであり、^{[ 1 ]}単体硫黄のそれと似ている。

ジスルフィドは通常対称ですが、非対称の場合もあります。対称ジスルフィドは、RSSRという式で表される化合物です。有機硫黄化学で遭遇するジスルフィドのほとんどは対称ジスルフィドです。非対称ジスルフィド（ヘテロジスルフィドまたは混合ジスルフィドとも呼ばれます）は、RSSR'という式で表される化合物です。非対称ジスルフィドは有機化学ではあまり一般的ではありませんが、自然界には非対称のジスルフィドが多数存在します。

ジスルフィド結合は強く、典型的な結合解離エネルギーは60  kcal/mol (251  kJ  mol ⁻¹ ) です。しかし、C−C結合やC−H結合よりも約 40% 弱いため、ジスルフィド結合は多くの分子で「弱いリンク」となることがよくあります。さらに、二価硫黄の分極率を反映して、 S−S結合は極性試薬、特に求電子剤と求核剤(Nu)の両方によって切断されやすいです。 ^{[ 3 ]}

RS−SR + Nu ⁻ → RS−Nu + RS ⁻

ジスルフィド結合の長さは約2.05Åで、C-C結合より約0.5Å長い。S - S軸周りの回転は低い障壁で行われる。ジスルフィドは、90°に近い二面角を特に好む。角度が0°または180°に近づくと、ジスルフィドは著しく優れた酸化剤となる。  

2つのR基が同じであるジスルフィドは対称ジスルフィドと呼ばれ、例としてはジフェニルジスルフィドやジメチルジスルフィドがある。2つのR基が同一でない場合、その化合物は非対称ジスルフィドまたは混合ジスルフィドと呼ばれる。^{[ 4 ]}

ジスルフィドの水素化は通常実用的ではないが、この反応の平衡定数はジスルフィドの標準酸化還元電位の指標となる。

RSSR + H ₂ → 2 RSH

この値は、標準水素電極（pH = 7） に対して約-250mVである。比較として、フェレドキシン類の標準還元電位は約-430mVである。   

ジスルフィド結合は通常、チオール（-SH ）基の酸化によって形成され、特に生物学的文脈ではその傾向が顕著である。^{[ 5 ]}この変換は以下のように示される。

2 RSH ⇌ RS−SR + 2 H ⁺ + 2 e ⁻

酸素や過酸化水素など、さまざまな酸化剤がこの反応に関与する。このような反応は、スルフェン酸中間体を経由して進行すると考えられている。実験室では、チオールをジスルフィドに酸化するために、塩基存在下でヨウ素が一般的に用いられる。銅(II)錯体や鉄(III)錯体など、いくつかの金属がこの反応に影響を与える。^{[ 6 ]}あるいは、タンパク質中のジスルフィド結合は、チオール-ジスルフィド交換によって形成されることが多い。

RS−SR + R'SH ⇌ R'S−SR + RSH

このような反応は、場合によっては酵素によって媒介され、また場合によっては平衡制御下にあり、特に触媒量の塩基が存在する場合には平衡制御下にある。

アルカリ金属ジスルフィドおよびポリスルフィドのアルキル化によりジスルフィドが生成する。ポリ硫化ナトリウムをアルキルジハロゲン化物で処理すると、「チオコール」ポリマーが生成する。逆反応では、カルバニオン試薬が単体硫黄と反応し、チオエーテル、ジスルフィド、およびより高次のポリスルフィドの混合物を生成する。これらの反応は選択性が低い場合が多いが、特定の用途に合わせて最適化することができる。

非対称ジスルフィドを形成するための多くの特殊な方法が開発されてきた。 「 RS ⁺ 」に相当するものを提供する試薬はチオールと反応して非対称ジスルフィドを生成する。^{[ 5 ]}

RSH + R′SNR″ ₂ → RS−SR′ + HNR″ ₂

ここで、R ″ ₂ Nはフタルイミド基である。RSSO − 3 Na ⁺型の誘導体であるBunte 塩も非対称ジスルフィドを生成するために使用される: ^{[ 7 ]}

Na [ O ₃ S ₂ R] + NaSR' → RSSR' + Na ₂ SO ₃

ジスルフィド結合において最も重要な点は、その切断である。なぜなら、S-S結合は通常、有機分子の中で最も弱い結合だからである。この結合を切断するために、多くの特殊な有機反応が開発されてきた。

さまざまな還元剤がジスルフィドをチオールに還元する。水素化物剤は典型的な試薬であり、一般的な実験室でのデモンストレーションでは、水素化ホウ素ナトリウムで卵を「加熱調理解除」する。^{[ 8 ]}アルカリ金属は、同じ反応をより強力に引き起こす。

RS−SR + 2 Na → 2 NaSR

続いて、生成した金属チオラートのプロトン化が行われる。

NaSR + HCl → HSR + NaCl

生化学実験では、β-メルカプトエタノール（β-ME）やジチオスレイトール（DTT）などのチオールは、チオール-ジスルフィド交換反応を介して還元剤として作用します。チオール試薬は、平衡を右方向にシフトさせるために過剰に使用されます。

RS−SR + 2 HOCH ₂ CH ₂ SH ⇌ HOCH ₂ CH ₂ S−SCH ₂ CH ₂ OH + 2 RSH

還元剤トリス(2-カルボキシエチル)ホスフィン(TCEP)は、β-MEやDTTに比べて無臭であることに加えて、選択性があり、アルカリ性および酸性条件の両方で作用し(DTTとは異なり)、より親水性で、空気中での酸化に対する耐性が高いため有用である。さらに、タンパク質チオールの修飾前にTCEPを除去する必要がない場合が多い。^{[ 9 ]}

ジンケ開裂では、ハロゲンがジスルフィドをスルフェニルハライドに酸化します: ^{[ 10 ]}

ArSSAr + Cl ₂ → 2 ArSCl

さらに珍しいことに、ジスルフィドの酸化では、まずチオスルフィネート、次にチオスルホネートが生成する。^{[ 11 ]}

RSSR + [ O] → RS(=O)SR

RS(=O)SR + [ O] → RS(=O) ₂ SR

チオール-ジスルフィド交換

チオール-ジスルフィド交換では、チオラート基−S ^{− が}ジスルフィド結合−S−S−の硫黄原子の1 つを置換します。元のジスルフィド結合は切断され、もう 1 つの硫黄原子が新しいチオラートとして放出され、負電荷を運び去ります。同時に、攻撃するチオラートと元の硫黄原子の間に新しいジスルフィド結合が形成されます。^{[ 12 ] [ 13 ]}

チオールではなくチオラートがジスルフィド結合を攻撃します。そのため、プロトン化されたチオール型が脱プロトン化されたチオラート型よりも優勢な低pH （通常8未満）では、チオール-ジスルフィド交換は阻害されます。（典型的なチオール_基のpKaは約8.3ですが、環境によって変化する可能性があります。）チオール-ジスルフィド交換は、タンパク質に正しいジスルフィド結合を形成し、実験中にシステインが不要な酸化を受けるのを防ぐための重要なプロセスです。

CS ₂

MoS₂_​

チオスルホキシドはジスルフィドと異性体であり、2番目の硫黄が最初の硫黄から分岐して連続した鎖に関与しない、つまり−S−S−ではなく>S=Sである。

_CH₃S −S−SCH₃_のように硫黄原子を3つ含む化合物は三硫化物と呼ばれる。より拡張された化合物、特に環状化合物はよく知られている。

^{ジスルフィドは、2つの硫化物（S 2−} ）中心を含む化合物を指す場合にも使用されます。化合物二硫化炭素（CS _2）は、構造式S=C=Sで表されます。この分子はSS結合を持たないため、ジスルフィドではありません。同様に、二硫化モリブデン（MoS ₂）も、硫黄原子が結合していないため、ジスルフィドではありません。

ジスルフィド結合は類似していますが、関連する過酸化物結合、チオセレニド結合、ジセレニド結合よりも一般的です。これらの中間化合物も存在し、例えばチオペルオキシド（チオペルオキシド水素など）は、式 R ¹ OSR ²（等価的に R ² SOR ^{1 ）を持ちます。これらは、上記と同様に}スルホキシドと異性体であり、−S−O− ではなく >S=O となります。