有機硫黄化学

有機硫黄化学は、硫黄を含む有機化合物である有機硫黄化合物の特性と合成を研究する分野です。^[1]有機硫黄化合物は悪臭と関連付けられることが多いですが、最も甘い化合物として知られているものの多くは、サッカリンなどの有機硫黄誘導体です。自然界には有機硫黄化合物が豊富に存在し、硫黄は生命維持に不可欠です。一般的なアミノ酸20 種類のうち、2 種類 (システインとメチオニン) は有機硫黄化合物であり、抗生物質のペニシリンとサルファ剤にはどちらも硫黄が含まれています。硫黄を含む抗生物質は多くの命を救いますが、硫黄マスタードは致命的な化学兵器です。化石燃料、石炭、石油、天然ガスは古代の生物に由来しており、必然的に有機硫黄化合物が含まれており、その除去は石油精製所の主要な焦点となっています。

硫黄は酸素、セレン、テルルと同じカルコゲン族に属しており、有機硫黄化合物は炭素-酸素、炭素-セレン、炭素-テルル化合物と類似性を持つと予想されます。

硫黄化合物を検出するための古典的な化学検査は、カリウスハロゲン法です。

有機硫黄化合物は、硫黄含有官能基に応じて分類することができ、それらの出現頻度の降順で（おおよそ）リストされています。

• 代表的な有機硫黄化合物
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  アリシンは、砕いたニンニクに含まれる活性な風味成分です。
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  ( R )-システイン、チオール基を含むアミノ酸
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  メチオニン、硫化物を含むアミノ酸
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  代表的なジスルフィドであるジフェニルジスルフィド
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  原油の成分であるジベンゾチオフェン
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  物議を醸している界面活性剤、パーフルオロオクタンスルホン酸
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  リポ酸は、4 つのミトコンドリア酵素複合体の必須補因子です。
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  ペニシリンのコア構造。「R」は可変基です。
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  スルファニルアミドは、サルファ剤と呼ばれるスルホンアミド系 抗菌剤です。
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  硫黄マスタード。化学兵器として使用される硫化物の一種。
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  マーティンの硫黄化合物は、SF ₄のようなシーソー構造を持つ^[2]

硫化物は、以前はチオエーテルと呼ばれ、C−S−C結合を特徴とする^{[3] [4]。C} −C結合と比較すると、硫黄原子は炭素原子よりも大きいため、C−S結合はより長く、また約10%弱い。硫黄化合物の 代表的な結合長は、メタンチオールのS−C単結合で183 pm 、チオフェンで173 pmである。チオメタンのC−S結合解離エネルギーは89 kcal/mol（370 kJ/mol）であるのに対し、メタンは100 kcal/mol（420 kJ/mol）であり、水素がメチル基に置き換えられると、エネルギーは73 kcal/mol（305 kJ/mol）に減少する。^[5]炭素から酸素への単結合は、C−C結合よりも短い。ジメチルスルフィドとジメチルエーテルの結合解離エネルギーはそれぞれ 73 と 77 kcal/mol (305 と 322 kJ/mol) です。

硫化物は通常チオールのアルキル化によって製造されます。アルキル化剤にはアルキルハライドだけでなく、エポキシド、アジリジン、マイケル受容体も含まれます。^[6]

これらは、プンメラー転位によっても調製できます。

フェラリオ反応では、フェニルエーテルは元素硫黄と塩化アルミニウムの作用によってフェノキサチインに変換されます。^[7]

チオアセタールとチオケタールは、C−S−C−S−C 結合配列を特徴とします。これらは硫化物のサブクラスです。チオアセタールは、カルボニル基の「極性転換」に有用です。チオアセタールとチオケタールは、有機合成においてカルボニル基を保護するためにも使用できます。

上記の硫黄化合物のクラスは、飽和および不飽和の複素環式構造でも存在し、多くの場合、他のヘテロ原子と組み合わさって存在し、具体的には、チイラン、チイレン、チエタン、チエト、ジチエタン、チオラン、チアナン、ジチアン、チエパン、チエピン、チアゾール、イソチアゾール、チオフェンなどがあります。最後の3つの化合物は、芳香族である硫黄含有複素環の特別なクラスを表します。チオフェンの共鳴安定化は29 kcal/mol (121 kJ/mol)であるのに対し、酸素類似体フランは20 kcal/mol (84 kJ/mol)です。この違いの理由は、酸素の電気陰性度が高く、芳香環電流を犠牲にして電子を自分自身に引き寄せるためです。しかし、芳香族置換基としてのチオ基は、アルコキシ基よりも電子放出性が低い。ジベンゾチオフェン（図を参照）は、中央のチオフェン環に縮合した 2 つのベンゼン環からなる三環式複素環であり、石油の重質留分に広く存在する。

チオール基はR−SH官能基を含む。チオールはアルコール基と構造的に類似しているが、これらの官能基は化学的性質が大きく異なる。チオールはより求核性が高く、より酸性で、より容易に酸化される。この酸性度​​は5 pK a_単位で異なることがある。 ^[8]

硫黄（2.58）と水素（2.20）の電気陰性度の差は小さいため、チオール中の水素結合は顕著ではありません。脂肪族チオールは金上で単分子層を形成し、ナノテクノロジーで話題になっています。

特定の芳香族チオールは、ヘルツ反応によって得ることができます。

硫黄同士の共有結合を持つジスルフィドR−S−S−R は、架橋において重要です。生化学では一部のタンパク質の折り畳みと安定性に、高分子化学ではゴムの架橋に重要です。

より長い硫黄鎖も知られており、例えば、珍しいペンタチエピン環（ベンゼン環に環化した 5 硫黄鎖）を含む 天然物質バラシンなどがあります。

チオエステルの一般構造は R−C(O)−S−R です。これらは通常のエステル (R−C(O)−O−R) と関連がありますが、加水分解や関連反応の影響を受けやすいです。補酵素 Aから形成されるチオエステルは、生化学、特に脂肪酸合成 において重要な役割を果たします。

スルホキシド、R−S(O)−Rは硫化物のS-酸化物（「硫化酸化物」）であり、スルホン、R −S(O) ₂ −Rは硫化物のS、S-二酸化物であり、チオスルフィネート、R−S(O)−S−Rは二硫化物のS-酸化物であり、チオスルホネート、R−S(O) ₂ −S−Rは二硫化物のS、S-二酸化物である。これらの化合物はすべて、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、アリシンなどのように、広範な化学的性質でよく知られている（図を参照）。

スルフィミド（スルフィリミンとも呼ばれる）は、R ₂ S = NR′構造の硫黄-窒素化合物であり、スルホキシドの窒素類似体です。薬理学的特性のため、一部は注目されています。2つの異なるR基が硫黄に結合すると、スルフィミドはキラルになります。スルフィミドは安定したα-カルバニオンを形成します。^[9]

スルホキシミド（スルホキシイミンとも呼ばれる）は、スルホンと等電子的な四配位硫黄窒素化合物であり、スルホンの1つの酸素原子が置換窒素原子に置き換えられている（例：R _{2 S(O)=NR′）。2つの異なるR基が硫黄に結合している場合、スルホキシミドはキラルである。このクラスの化合物への関心の多くは、メチオニンスルホキシミド（メチオニンスルホキシイミン）が}グルタミン合成酵素の阻害剤であるという発見に由来している。^[10]

スルホンジイミン（スルホジイミン、スルホジイミド、スルホンジイミドとも呼ばれる）は、スルホンと等電子関係にある四配位硫黄-窒素化合物であり、スルホンの両方の酸素原子が置換窒素原子に置き換えられている（例：R ₂ S(=NR′) ₂）。それらは、その生物学的活性と複素環合成の構成要素として興味深い。^[11]

S-ニトロソチオールはチオナイトライトとも呼ばれ、チオールの硫黄原子にニトロソ基が結合した化合物です（例：R−S−N=O）。ニトロソチオールはニトロソニウムイオンNO ⁺と一酸化窒素NOの供与体として機能し、生体内でシグナル分子として機能する可能性があり、特に血管拡張に関連しているため、生化学では大きな注目を集めています。 ^[12]

1 つ以上のハロゲン原子 (以下の化学式の「X」)が単一の硫黄原子に結合した幅広い有機硫黄化合物が知られています。たとえば、スルフェニルハライド、RSX、スルフィニルハライド、RS(O)X、スルホニルハライド、RSO ₂ X、アルキルおよびアリール硫黄三塩化物、RSCl ₃、三フッ化物、RSF ₃、^[13]およびアルキルおよびアリール硫黄五フッ化物、RSF ₅です。 [14]あまり知られていないのは、主に四フッ化物 (例: R ₂ SF ₄ ) で代表されるジアルキル硫黄四ハロゲン化物です。 [ ^{15 ]}

炭素と硫黄の間に二重結合を持つ化合物は比較的珍しいが、二硫化炭素、硫化カルボニル、チオホスゲンなどの重要な化合物が含まれる。チオケトン(RC(=S)R′) はアルキル置換基では珍しいが、チオベンゾフェノンがその一例である。チオアルデヒドは立体保護がないことを反映してさらに稀である (「チオホルムアルデヒド」は環状三量体として存在する)。化学式 R ₁ C(=S)N(R ₂ )R _3のチオアミドの方が一般的である。これらは通常、アミドとローソン試薬との反応によって生成される。化学式 R−N=C=S のイソチオシアネートは天然に存在する。イソチオシアネートによる特徴的な風味を持つ野菜食品には、ワサビ、ホースラディッシュ、マスタード、ラディッシュ、芽キャベツ、クレソン、キンレンカ、ケッパーなどがあります。

チオカルボニル化合物のS -オキシドは、チオカルボニルS -オキシドとして知られています: (R ₂ C = S = O、およびチオカルボニルS、S -ジオキシドまたはスルフェン、R ₂ C = SO ₂ )。チオンS -オキシドはスルフィンとしても知られており、IUPACはこの用語を時代遅れと見なしていますが、^[16]この名前は文献に残っています。^[17]これらの化合物は、広範な化学でよく知られています。^{[18] [19]例としては、}シン-プロパンチアル-S -オキシドやスルフェンがあります。

スルファアルキン中の硫黄と炭素間の三重結合はまれであり、一硫化炭素（CS）^{[20]に見られ、化合物F} ₃ CCSF ₃ ^{[21] [22]}およびF ₅ SCSF ₃ ^[23]で示唆されています。化合物HCSOHも正式な三重結合を持つと表現されます。^[24]

チオカルボン酸(RC(O)SH) とジチオカルボン酸 (RC(S)SH) はよく知られています。これらは構造的にはカルボン酸に似ていますが、より酸性が強いです。チオアミドはアミドに類似しています。

スルホン酸はR−S(=O) ₂ −OHという官能基を持つ。^[25]これらは通常有機溶媒に溶ける強酸である。トリフルオロメタンスルホン酸のようなスルホン酸は有機化学で頻繁に使用される試薬である。スルフィン酸はR−S(O)−OHという官能基を持ち、スルフェン酸はR−S−OHという官能基を持つ。スルホン酸−スルフィン酸−スルフェン酸の系列では、酸の強度と安定性は両方ともこの順序で低下する。^{[26] [27]}スルホンアミド、スルフィナミド、スルフェンアミドはそれぞれR−SO ₂ NR′ ₂、R−S(O)NR′ ₂、R−SNR′ ₂で表され、それぞれ化学的に豊富である。例えば、サルファ剤は芳香族スルホン化から得られるスルホンアミドである。キラルなスルフィナミドは不斉合成に使用され、スルフェンアミドは架橋を促進するために加硫プロセスで広く使用されています。チオシアネート、R−S−CN は、反応性の点でスルフェニルハライドおよびエステルに関連しています。

スルホニウムイオンは、硫黄に3つの有機置換基が結合した正電荷イオンで、化学式は[R ₃ S] ⁺です。負電荷を帯びた対応するアニオンとともに、この化合物はスルホニウム塩と呼ばれます。オキソスルホニウムイオンは、硫黄に3つの有機置換基と酸素が結合した正電荷イオンで、化学式は[R ₃ S=O] ⁺です。負電荷を帯びた対応するアニオンとともに、この化合物はオキソスルホニウム塩と呼ばれます。関連種には、アルコキシスルホニウムイオンとクロロスルホニウムイオンがあり、それぞれ[R ₂ SOR] ⁺と[R ₂ SCl] ⁺です。

スルホニウム塩およびオキソスルホニウム塩の脱プロトン化により、構造 R ₂ S ⁺ −C ⁻ −R′ ₂および R ₂ S(O) ⁺ −C ⁻ −R′ _2のイリドが得られる。例えばエポキシドの合成に使用されるジョンソン・コーリー・チャイコフスキー反応におけるスルホニウムイリドは、C=S 二重結合（例：R ₂ S=CR′ _{2 ）}で示されることがあるが、イリド炭素硫黄結合は高度に分極しており、イオン性であると説明する方が適切である。スルホニウムイリドは、合成上有用なスティーブンス転位における重要な中間体である。チオカルボニルイリド（RR′C=S ⁺ −C ^{− −RR′）は}、チイランの開環、アリールビニルスルフィドの光環化、^[28]ならびに他のプロセスによって生成され得る。

スルフランは、化学式SR _{4で表される}四価の硫黄を特徴とする比較的特殊な官能基です。 ^[2]同様に、ペルスルフランは六価のSR _6を特徴とします。

数少ない全炭素ペルスルフランの1つは、2つのメチル配位子と2つのビフェニレン 配位子を持つ：^[29]

これは、アセトニトリル中の二フッ化キセノン/三フッ化ホウ素と対応するスルフラン1からスルフラニルジカチオン2を生成し、続いてテトラヒドロフラン中のメチルリチウムと反応させて、シス異性体である (安定な) ペルスルフラン3 を生成することによって調製されます。X線回折では、 C−S結合長は189 ～ 193 pm (標準結合長よりも長い) で、中心の硫黄原子は歪んだ八面体分子構造をしています。

自然界には様々な有機硫黄化合物が存在する。最も豊富なのは、アミノ酸のメチオニン、システイン、シスチンである。ビタミンのビオチンとチアミン、リポ酸には硫黄複素環が含まれる。グルタチオンは主要な細胞内抗酸化物質である。^[6] ペニシリンとセファロスポリンは真菌から得られる生命を救う抗生物質である。グリオトキシンは硫黄を含むマイコトキシンで、数種の真菌種によって生産され、抗ウイルス剤として研究されている。

一般的な有機硫黄化合物は、石油留分中に 200～500 ppm のレベルで存在します。一般的な化合物はチオフェン、特にジベンゾチオフェンです。製油所での水素化脱硫(HDS)プロセスにより、これらの化合物はチオフェンの水素化分解で示されるように除去されます: C ₄ H ₄ S + 8 H ₂ → C ₄ H ₁₀ + H ₂ S

アリシンやアホエンなどの化合物はニンニクの臭いの原因です。レンチオニンは椎茸の風味に貢献しています。揮発性有機硫黄化合物は、ワイン、ナッツ、チェダーチーズ、チョコレート、コーヒー、トロピカルフルーツの風味に微妙な風味特性をもたらします。^{[30]これらの天然物質の多くは、}血小板凝集の防止や癌との闘いなど、重要な薬効成分も持っています。

人間や他の動物は、チオール、硫化物、二硫化物などの低原子価有機硫黄化合物の臭いに対して非常に敏感な嗅覚を持っています。悪臭を放つ揮発性チオールは、腐敗した食品に含まれるタンパク質分解産物であるため、これらの化合物を敏感に識別することは中毒を回避するために重要です。低原子価揮発性硫黄化合物は、空気中の酸素レベルが低い場所でも見られ、窒息の危険があります。

銅は、マウスの嗅覚受容体による特定の揮発性チオールおよび関連する有機硫黄化合物の高感度検出に必要です。人間でもチオールの高感度検出に銅が必要かどうかはまだわかっていません。^[31]