Сульфиды. IV. Способы получения Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 542.913/547.578.6

СУЛЬФИДЫ. IV. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ © 2019 О. М. Демидов1, Д. А. Щербаков2, А. В. Шантроха3

1главный научный сотрудник, канд. хим. наук e-mail: oleg.demidovaniipa.ru 2старший научный сотрудник e-mail: denis.shcherhakovaniipa.ru ФГУП «НИИПА», Дубна

3главный научный сотрудник, докт. хим. наук, профессор e-mail: alexanderarhcmail. ru ФГУП «Научный центр «Сигнал», Москва

Рассмотрены способы получения сульфидов, основанные на реакциях восстановления сульфоксидов, в том числе с помощью ферментов, а также реакции десульфуризации. Рассмотренные процессы в большинстве случаев имеют только научно-прикладное значение.

Ключевые слова: сульфид, сульфоксид, восстановление, десульфуризация, катализатор.

В настоящей публикации рассмотрены актуальные аспекты получения сульфидов при реакции восстановления сульфоксидов с использованием различных методов и каталитических систем. Получаемые продукты являются синтонами, используемыми в синтезе физиологически активных веществ и соединений с уникальными свойствами.

Материал публикации может быть использован при изучении процессов восстановления различными каталитическими системами, а также при получении полифункциональных соединений и в ходе подготовки специалистов химического профиля.

Реакция восстановления сульфоксидов

Восстановление сульфоксидов до сульфидов можно осуществить с использованием реагентов элетрофильного и нуклеофильного характера, а также с помощью фото-, электрохимических и биохимических реакций.

Известно, что S-метил-Ь-цистеинсульфоксид под действием метионинре-дуктазы превращается в (-^-метил-Ь-цистеин. Реакцию можно наблюдать в микроорганизмах и мелких лабораторных животных (крысах), при этом сохраняется оптическая активность исходной молекулы (схема 1) [1-4].

н,с

NADPH

NADP

s-ch2 о

// ч 1 о

О снс h2n он

н,с

Метионин редуктаза (Escherichia coli)

s-ch2 о

снс h2n он

(1)

Протекание биохимической реакции восстановления ДМСО до диметилсульфида было показано в экспериментах на кошках. Так, после введения животным 400 мг/кг ДМСО (максимальная допустимая однократная доза) через 5 мин. в выдыхаемом воздухе определяли наличие диметилсульфида, что было доказано с

использованием газовой хроматографии и масс-спектрометрии [5]. Данный факт свидетельствует о существовании метаболического пути превращения ДМСО в диметилсульфид.

Для определения возможности образования диметилсульфида из ДМСО в результате протекания биохимической реакции были также исследованы различные штаммы энтеробактериальных форм Shigella, Escherichia, Proteus и Salmonella. В результате проведенных исследований было установлено, что в зависимости от используемых штаммов микроорганизмов происходит в большей или меньшей степени образование из ДМСО диметилсульфида. Указанный способ (схема 2) может быть использован в качестве биохимического метода оценки активности ДМСО-редуктазы энтеробактериальных микроорганизмов.

NADPH + Н+

NADP

О

HjC CH-j

H3C CH3

(2)

ДМСО редуктаза

Фотохимическое восстановление диалкилсульфоксидов протекает при окислении диметилсилана в диалкилсиланоксид. Источником диметилсилана является додекаметилциклогексасилан, который при фотолизе (Хшах 2520 А, е 1200) генерирует диметилсилан. Реакцию восстановления сульфоксидов проводят в диоксане при длине волны (менее 2200 А) согласно схеме 3. Выход диметилсульфида при использовании в реакции ДМСО достигает 90 отн.% [6,87].

О

НоС СНо

н,с

Si:

н,с

УФ-облучение

н,с

\+ X

s-o-sü

- .сн,

н,с

cm

н,с

н3с

н2с

+ Si=0 Н3С

(3)

При фотохимическом восстановлении сульфоксидов в качестве «ловушки» атомарного кислорода наряду с диметилсиланом можно использовать ароматические углеводороды и карбоновые кислоты. Результаты данных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

Фотохимическое восстановление арилсульфоксидов

Сульфоксид Растворитель Время, ч Светофильтр Конвер сия, отн.% Выход сульфида, отн.%

О и S Бензол 23 Реактор с ртутной лампой низкого 100 > 95

давления

50 масс.% водный р-р уксусной кислоты 10 Ртутная лампа с корекс-фильтром 80 > 90

Реактор с ртутной

Циклогексан 21 лампой низкого давления 100 40

(C6H5)2S=O 50 масс.% водный р-р уксусной 7 Реактор с ртутной лампой среднего давления 40-50 70

кислоты

Сульфоксид Растворитель Время, ч Светофильтр Конвер сия, отн.% Выход сульфида, отн.%

^-СбИ58(=0)СбИ5 50 масс.% водный р-р уксусной кислоты 10 Реактор с ртутной лампой среднего давления 30 85

СбИ58(=0)СИз Циклогексан 7 Реактор с ртутной лампой среднего давления 80 95

Электрохимическое восстановление восстановления ДМСО (схема 4).

сульфоксидов описано на примере

Н,С

н,с

8=0 + 2 Н+ + 2 е~

Б +Н20

(4)

НдС Н3С

Исследования электрохимического восстановления фенацилфенилсульфоксида проводили в 20 масс.% буферном растворе этанола при рН 7 и 27 оС и напряжении 1,1 и 1,6 В. В результате протекания реакции наблюдали, наряду с выделяющимся сульфидом, образование смеси побочных продуктов - фенилдисульфида, тиофенола, ацетофенона и фенилэтанола [8; 9]. С учетом неоднозначности протекания реакции электрохимического восстановления смешанных сульфоксидов данная реакция имеет в настоящее время лишь теоретическое значение.

Определенный интерес представляет реакция восстановления диарилсульфоксидов элементной серой. Реакция протекает при 250 оС в течение 30 мин. (схема 5). Выход составляет, отн.%: 75 тиантрена, 80 феноксатиина и 51 дибензотиофена [10-12].

О

+ 8 -[| Л [| 1 + 802 w

Сульфиды также могут быть получены в результате взаимодействия сульфоксидов с меркаптанами (схема 6).

О

^ +Н8Я-^ + +Н2° (6)

1?. И.

В результате протекания реакции образуется дисульфид и сульфид. Несмотря на то, что основным продуктом реакции является дисульфид, подбор условий реакции позволяет сместить направление в сторону образования преимущественно сульфида. Механизм протекания реакции описывается схемами 7-9.

О

" + НБЫ ^ *

ОН 1+

8-Я

II

ОН 1+

я-з-я

8-Я + ШЫ II

8Я 1+

8-Я + Н20 III

8Ы 1+

я-з-я

К^К +

(7)

(8)

(9)

На первой стадии (схема 7) сульфоксид реагирует с молекулой меркаптана с образованием интермедиата II, имеющего частичный отрицательный заряд на атоме серы меркаптана и частичный положительный заряд на атоме серы «сульфоксида». Интермедиат реагирует со второй молекулой меркаптана с заменой гидроксильной группы на более «кислый» тиол. Образовавшийся комплекс III диссоциирует с выделением молекул сульфида и сульфоксида.

Реакционная способность снижается от диарилсульфидов к диалкилсульфидам (ArS(O)Ar > ArS(O)Alk >> AlkS(O)Alk). Данный факт объясняется легкостью образования резонансной конформационной формы арилсульфоксидов, приведенных на схеме 10.

В таблице 2 приведены стехиометрические данные реакции восстановления сульфоксидов меркаптанами.

Таблица 2

Условия реакции восстановления сульфоксидов [13]

Параметр Значение

Температура, оС 160 160 25

Меркаптан, моль 1-C16H33SH 1-C16H33SH C6H5SH

0,05 0,05 0,10

Сульфоксид, моль ДМСО 0,125 Тетраметиленсульфоксид 0,125 Тетраметиленсульфоксид 0,125

Время, ч 12 4,5 19,5

Дисульфид, моль 0,021 0,013 0,047

Сульфид, моль 0,021 0,013 0,047

Проведенные исследования показали, что использование наряду с сульфоксидами и меркаптанами аминов приводит к увеличению скорости реакции [14]. Так, например, окисление 1-додекантиола тетраметиленсульфоксидом при 100 оС в присутствии К,К-диметиланилина или 2,6-литидина (соотношение «тиол» : «амин» = 1 : 10, моль/моль) происходит в 2-3 раза быстрее. Применение в реакции 1-додециламина или три(п-бутил)амина приводит к увеличению скорости реакции в 84269 раз. Механизм протекания данной реакции в присутствии алифатических аминов может быть описан образованием интермедиата IV (схема 11).

Я

I R г»

- + ХГ +

о-н r' r н

^ R^l" Tu IV (11)

r

r-s—s-r s----n^

I R / XR

r r r

Восстановление сульфоксидов в сульфиды в условиях протекания реакций электрофильного характера имеет множество модификаций. Так, например, реакция протекает в присутствии йодисто-водородной, бромисто-водородной, хлороводородной кислот и брома.

Реакция сульфоксидов с йодисто-водородной кислотой может быть описана схемой 12.

О

й + 2 Н+ + 2 I" "Я

ы^я +12 + Н2О

(12)

Кинетические параметры данной реакции оценивать по результатам оценки концентрации реактантов и продуктов в водном растворе уксусной кислоты при 25 оС в условиях псевдопервого порядка (избыток йодисто-водородной кислоты) на примере диметилсульфоксида и замещенных фенилметилсульфоксидов [15]. Исследования показали, что наибольшая скорость протекания реакции наблюдается для р-метоксифилметилсульфоксида, наименьшая - для да-нитрофенилметилсульфоксида.

Реакция протекает только в концентрированной йодисто-водородной кислоте, используемой при значительном мольном избытке по отношению к сульфоксиду. Для фтористоводородной кислоты данный тип реакций не характерен, в присутствии хлористого водорода проявляется рацемическая активность. Для бромисто-водородной кислоты наблюдается рацемическая и восстанавливающая активность, а для йодисто-водородной кислоты - только восстанавливающая активность. Все это объясняется стабильностью образующейся связи 8-Иа1. Наиболее подвижная связь Б-Б, а наиболее стабильная - Б-С1 [16].

Механизм протекания реакции и стереохимическая активность на примере взаимодействия с йодистоводородной кислотой приведены на схемах 13-15.

Я

щ. • 8"/,/к1

Я /

+ ЬГ

О

я

он

я

/

"/я1

+ 1"

V

но

/

е..

"/я1

(13)

(14)

НО

"I

я V/

ОН

+ г

1—1 я

г\+/

Б-»

с'

""Я1

он

н+

Я-8-Я1 +12 + Н20

(15)

Реакция взаимодействия сульфоксида с бромом описывается на примере каталитического цикла последовательного взаимодействия ДМСО с системой «бром-бромисто-водородная кислота» и промежуточных продуктов реакции (реакции 16-19), в результате чего из 4 молей ДМСО образуется 3 моля диметилсульфида (выход 75 отн.%) согласно схеме 20.

О

+ Вг-> -► » + НВг

Н3С

О м

О и

НдС СН2Вг

+

сн3 о

II

Н3С

СН2Вг

НэС сн.

о

3 н

+ Н20

о

II

н,сг8"он

+

о

и

НоС СНэ

о

НзС'^С"0

3 н о

^ II

щеткой

+

о

II

+ НВг

НаС СНэ

+ сн2о

о

II

НзС'~"СНз +Н3С—8—ОН

3 3 II

о

(16)

(17)

(18)

(19)

4 ^ -► 3 н3с'8"сн3 +сн20 +н3с-8-он (20)

н3с сн3 0

В таблице 3 приведены основные условия реакции, протекающей при молярном соотношении Вг/ДМСО, равном1/100, при температуре реакционной среды 100 оС [97].

Таблица 3

Условия протекания реакции восстановления сульфоксида (К-БО-Я1) каталитической системой бром-бромисто-водородная кислота_

R R' Время, ч Выход сульфида, отн.,%

СНз СНз 5 56

C2H5 С2Н5 24 69

П-С4Н9 П-С4Н9 240 43

-(СН2)4- 72 54

С6Н5 СНз 240 6

Восстановление ароматических сульфоксидов бромом протекает по двум направлениям - восстановление сульфоксида до сульфида и бромирование ароматического углеводорода [18]. В случае использования при реакции дибензотиофена-5-оксида наблюдается образование 2,8-дибромодибензотиофена (схема 21).

д (21)

0 а

Методика синтеза 2,8-дибромодибензотиофена заключается в последовательном смешении 6,0 г (0,03 моль) дибензотиофена-5-оксида в 50 мл четыреххлористого углерода с небольшим количеством трихлорида алюминия. К полученному раствору прибавляют по каплям 5,0 г (0,04 г) брома. Нагревают до температуры кипения четыреххлористого углерода в течение 24 ч. При этом наблюдается выделение бромистого водорода. Выпавший осадок отделяют фильтрованием, промывают водой, кристаллизуют из бутанола, получают 3,7 г (36 отн.%) бромзамещенного дибензотиофена с 1 пл.= 224 оС.

Методика получения сульфида из сульфоксида в условиях электрофильного восстановления рассмотрена на примере реакции тиантрена-5-оксида с бромисто-водородной кислотой (схема 22).

о м

° НВг , - (22)

s^^ ^ S

Раствор 11,6 г (0,05 моль) тиантрен-5-оксида в 100 мл 48 масс.% бромистоводородной кислоты кипятят 10 ч. Отделяют водный раствор кислоты в горячем виде, чтобы реакционная масса не успела остыть. Получают красное масло, которое охлаждают и экстрагируют эфиром. Эфирный раствор промывают водным раствором щелочи, водой и сушат над безводным сульфатом натрия. Растворитель упаривают, выпавшее масло кристаллизуют из ледяной уксусной кислоты, получают 2,9 г (20 отн.%) кристаллов с W= 84-87 оС. При использовании в реакции 32 масс.% бромисто-водородной кислоты получают 5,28 г (35,8 отн.%) 2-бромтиантена.

Механизм протекания двух параллельных реакций для ароматических сульфоксидов рассмотрен на примере получения К-алкилфенотиазин-5-оксидов. Реакция протекает согласно схемам 23 и 24 [19]. Я

I

1 ' (23)

С1(Вг)

+ НОС1 (НОВг)

В том случае, когда в реакции используется йодистоводородная кислота, протекает только реакция образования сульфида, что объясняется образованием из йодид-аниона молекулярного йода.

Реакция десульфуризации диалкилполисульфидов

Десульфуризация диалкилполисульфидов протекает в каталитических систах, в составе которых могут находиться органические соединения фосфора и азота, а также неорганические соединения алюминия и кремния.

Разработан способ получения диметилсульфида из диметилдисульфида в результате взаимодействия последнего с метанолом в присутствии катализатора у-АЬОэ при температуре 350-400 оС и молярном соотношении диметилдисульфид : метанол - 1 : 2,0^2,5 моль:моль. Время контакта реагирующих компонентов 2,5^4,0 с. [20]. Процесс может быть описан схемой 25.

(СН3)282 + 2 СН3ОН

+ н

2 (СН3)28 + 2 Н20

(25)

Механизм протекания данной реакции в присутствии катализатора описывается схемами 26 и 27.

Н3С—8-8—СН3

Н

Н

0-А1-0 <СНз^2,

I

н

I

н

н

0-А1-0

I

2 СН38Н + 0-А1-0

(26)

Н

Н

Н

Л * 1 Л сн3он I

0-А1-0-1—»» 0-А1-0

I I

сн.

СН38Н -£—

н'

сн3

I 3

СН,

? i

(СН3)28 + 0-А1-0

(27)

0-А1-0 —

I

В результате взаимодействия диметилдисульфида с катализатором образуется комплекс, который разрушается с образованием метилмеркаптана. Метанол также образует комплекс с катализатором, который реагирует с образующимся метилмеркаптаном, в результате чего наблюдается образование диметилсульфида и регенерация катализатора.

В качестве катализатора данного процесса возможно использовать также каталитические системы на основе алюминия и кремния (у-АЬОэ; 50 % у-АЪОэ + 50 % %-АЬОэ; 50 % у-АЬОэ + 40 % х-АЪОэ + 10 % п-АЬОэ; БЮ^ЛЬСа; Сг/ БЮг; Ка/ А12О3) [21].

Механизм реакции десульфуризации диалкилдисульфидов рассмотрен на примере реакции диэтилдисульфида с триэтилфосфитом (схема 28).

p(oc2h5)3 + (c2h5)2s2.

с2н5 sc2h5

V

c2h5s-p-oc2h5 oc2H5

о

c2h5sl(oc2h5)2 + (c2h5)2s

(28)

Механизм реакция аналогичен механизму реакции Арбузова (взаимодействие триалкилфосфитов с галогеналканами). В результате протекания реакции происходит образование диэтилсульфида и О,О, Б-диэтилэтилтиофосфата [22].

Реакция десульфуризации наблюдается также при фотолизе диметилдисульфида в атмосфере высокочистого (99,996 масс.%) гелия. Протекание ряда реакций радикального характера в присутствии метана и водорода приводит к образованию диметилсульфида. Данный процесс в упрощённом виде возможно представить схемами 29-31 [23].

н2 -► 2н (29)

сн4 + н

CH3SSCH3 + сн3

сн3 + н2

CH3SCH3 + ch3s

(30)

(31)

Таким образом, приведенные примеры показывают, что методы получения сульфидов, основанные на реакции восстановления сульфоксидов, могут быть реализованы как в биохимических реакциях, так и при реакциях, использующих каталитические системы. Реакции десульфуризации полисуль-фидов до сульфидов имеют практическое значение и нашли широкое распрост-ранение в органическом синтезе.

Библиографический список

1. Sourkes T.L., Trano Y. Reduction of methionine sulfoxides by Escherichia coli // Arch. Biochem. Biophys. 1953. Vol. 42. P. 321-326.

2. Snow J.T., Finley J.W., Kohler G.O. A kinetic study of the bisulphite reduction of methionine sulphoxide to methionine // J. Sci. Food Agr. 1976. Vol. 27. P. 649-654.

3. Brot N., Weissbach H. The biochemistry of methionine sulfoxide residues in proteins // Trends Biochem. Sci. 1982. Vol. 7. P. 137-139.

4. Ejiri S.I., Weissbach H., Brot N. The purification of methionine sulfoxide reductase from Escherichia coli // Anal. Biochem. 1980. Vol. 102. P. 393-398.

5. Palomo C., Oiarbide M., Lopez R., Gomez-Bengoa E. Phosphazene bases for the preparation of biaryl thioethers from aryl iodides and arenethiols // Tetr. Lett. 2000. Vol. 41. P. 1283-1286.

6. Soysa D., Okinoshima H., Weber P. A new route to dimethysilanon [(CH3)2Si=O]; deoxygenation of dimethylsulfoxide by dimethylsilylene // J. Organometal. Chem. 1977. Vol. 133. P. 17-20.

7. Gurria G.M., Posner G.H. Photochemical deoxygenation of aryl sulfoxides // J. Org. Chem. 1973. Vol. 38. P. 2419-2420.

8. Wood P.M. The redox potential for dimethyl sulphoxide reduction to dimeth sulphide // FEBS Letters. 1981. Vol. 124. P. 11-14.

9. Kunugi A., Kunieda N. Electrolytic reduction of phenacyl sulphoxide at mercury

electrode // Electrochim. Acta. 1983. Vol. 28. P. 715-718.

10. Oae S., Kawamura S. The tracer study of the reactions of diphenyl sulfone and diphenyl sulfoxide with sulfur // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1963. Vol. 36. P. 163-167.

11. Oae S., Nakai M., Tsuchida Y., Furukawa N. The tracer study of the reaction of diphenyl sulfone-1-14C with elemental sulfur using a convenient degradative method // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1971. Vol. 44. P. 445-447.

12. Oae S., Makino S., Tsuchida Y. / The reaction of elemental sulfur with organic compounds. VI. 35S-tracer study of aromatic displacement reaction of thianthrene, phenoxathiin, dibenzothiophene and their oxidation compounds by sulfur // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1973. Vol. 46. P. 650-651.

13. Wallace T.J.; Mahon J.J. Reactions of thiols with sulfoxides. II. Kinetics and mechanistic implications // J. Am. Chem. Soc. 1964. Vol. 86. P. 4099-4103.

14. Wallace T.J.; Mahon J.J. / Reactions of Thiols with Sulfoxides. III. Catalysis by Acids and Bases // J. Org. Chem. 1965. Vol. 30. P. 1502-1506.

15. Strecker R.A.; Anderson K.K. / Reduction of alkyl aryl sulfoxides by iodide ions in acid solutions // J. Org. Chem. 1968. Vol. 33. P. 2234-2237.

16. Landini D., Montanari F., Hogeveen H., Maccagnani G. Kinetics and mechanism of the reduction of sulphoxides by hydriodic acid // Tetr. Lett. 1964. Vol. 5. P. 2691-2696.

17. Aida T., Furukawa N., Oae S. Catalytic reduction of dimethyl sulfoxide and other sulfoxides with bromine - hydrobromic acid system // Tetr. Lett. 1973. Vol. 14. P. 38533856.

18. Gilman H., Ingham R.K. / The Reaction of dibenzothiophene-5-oxide with bromine // J. Am. Chem. Soc. 1951. Vol. 73. P. 4982-4983.

19. Ciattini P.G., Morera E., Ortar G. A new, palladium-catalyzed synthesis of aromatic mercapturic acid derivatives // Tetr. Lett. 1995. Vol. 36. P. 4133-4136.

20. Mashkina A.V. / New method of dimethyl sulfide synthesis // Rus. J. Org. Chem. 2011. Vol. 47. P. 678-681.

21. MashkinaA.V., KhairulinaL.N. Catalytic synthesis of dialkyl sulfides from dialkyl sulfides // Kinetics and Catalysis. 2017. Vol. 58. P. 402-408.

22. Jacobson H.I. Harvey, R.G., Jensen E.V. // The reaction of triethyl phosphite with a dialkyl disulfide // J. Am. Chem. Soc. 1955. Vol. 77. P. 6064-6065.

23. Schottler M., Homann K.H. / Scavenging of Radicals from the Gas Phase by Freezing with Dimethyl Disulfide. 1. Test of the method for light radicals // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1987. Vol. 91. P. 688-694.