Thioketone
| Thioketone |
|---|
| Allgemeine Strukturformel von symmetrischen Thioketonen symmetrisches Thioketon |
| Allgemeine Strukturformel von unsymmetrischen Thioketonen unsymmetrisches Thioketon |
| Die Thicoarbonylgruppe ist blau markiert. Die Reste R, R1 und R2 sind organische Reste (Alkyl, Aryl o. ä.). |
Thioketone (Thione) sind organische, chemische Verbindungen. Sie stellen die Schwefel-Analoga von Ketonen dar und gehören zu den Thiocarbonylverbindungen.<ref name="Römpp-Online">Eintrag zu Thioketone. In: Römpp Online. Georg Thieme VerlagVorlage:Abrufdatum{{#if: {{#invoke:Wikidata|pageId}}||{{#ifeq: 0 | 0 | }} }}</ref>
Ihre funktionelle Gruppe besteht aus einem Kohlenstoff- und einem Schwefelatom, welche durch eine Doppelbindung miteinander verbunden sind. Bei den Resten am Kohlenstoffatom der Thiocarbonylgruppe handelt es sich dabei um organische Reste (Alkylrest, Arylrest etc.). Thioketone sind ausnahmslos farbige Substanzen und zeichnen sich durch einen für organische Schwefelverbindungen typischen, intensiven Geruch aus.<ref name="Kracher 2007">R. Kracher u. a.: Lexikon der Chemie. 3. Band: Perf bis Zy. Jokers edition. Spektrum Verlag, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1909-5, S. 342.</ref> Da ihre aliphatischen Monomere häufig instabil sind, tendieren sie zur Polymerisation. Dabei werden die Trimerisierungsprodukte bevorzugt gebildet.<ref name="Schönberg 1955">A. Schönberg, A. Wagner: Methoden zur Herstellung und Umwandlung von Thioaldehyden und Thioketonen. In: E. Müller (Hrsg.): Methoden der Organischen Chemie. Band IX: Schwefel-, Selen-, Tellurverbindungen. Thieme Verlag, Stuttgart 1955, S. 699–740.</ref> Synthesen und Reaktionen von Thioketonen beziehen sich darum häufig auf stabilere, aromatische Thioketone.<ref name="Campaigne, E. 1946">E. Campaigne: Thiones and thials. In: Chemical Reviews. Band 39, Nr. 1, 1946, S. 1–77. doi:10.1021/cr60122a001.</ref> Dennoch können heutzutage Thioketone jeder Art hergestellt werden.<ref name="Voss 1985">J. Voss: Thioaldehyde bzw. Thioketone. In: D. Klamann (Hrsg.): Methoden der Organischen Chemie. Band E11: Organische Schwefel-Verbindungen.Thieme Verlag, Stuttgart 1985, ISBN 3-13-218104-8, S. 195–231.</ref>
Nomenklatur
Zur Benennung von Thioketonen wird, wenn keine funktionelle Gruppen höherer Priorität vorhanden sind, das Präfix Thioxo- vor den Trivialnamen gestellt (z. B. Thioxoaceton, Thioxobenzophenon). Das Präfix Thio- ist gemäß der aktuellsten IUPAC-Nomenklatur veraltet, wird aber trotzdem häufig eingesetzt (z. B. Thioaceton, Thiobenzophenon). Wenn eine funktionelle Gruppe mit höherer Priorität vorliegt, wird das Suffix -thion angehängt (z. B. Cyclohexanthion). Deshalb werden Thioketone auch als Thione bezeichnet.<ref name="Römpp-Online" />
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Thioketone sind ausnahmslos farbige Verbindungen, wobei die erscheinenden Farben unterschiedlich sind.<ref name="Schönberg 1955" /> Während niedere, aliphatische Thioketone häufig als rote Öle beobachtet wurden, erscheinen aromatische Thioketone blau bis violett (z. B.erscheint Thiobenzophenon blau). Bei der Trimerisierung von z. B. aliphatisch substituierten Thioketonen entstehen hingegen farblose Derivate von Trithian.<ref name="Kracher 2007" /> Thioketone stehen im Gleichgewicht zu ihren Ennthiolderivaten (vgl. Keto-Enol-Tautomerie), die Verschiebung des Gleichgewichts ist sowohl temperaturabhängig als auch abhängig vom Lösungsmittel, und hat einen Einfluss auf die Farbintensität (Thermochromie). Unterschiedliche Thioketone weisen unterschiedliche Tendenzen zur Enthiolosierung auf.<ref name="Voss 1985" /> Der Geruch von Thioketonen wird oft als besonders unangenehm beschrieben. Sie lösen sich gut in unpolaren Lösungsmitteln.<ref name="Mayer 1964">R. Mayer u. a.: Aliphatische Thioketone. In: Angewandte Chemie. Band 76, Nr. 4, 1964, S. 157–167. doi:10.1002/ange.19640760402.</ref> Die Stabilität der Thioketone ist von den gebundenen Resten abhängig und unterscheidet sich stark: während monomere Thioketone instabil sind und darum leicht polymerisieren, werden aromatische Thioketone durch ihre Reste stabilisiert. Darum sind Diaryl- und hereocyclische Thioketone stabiler, gut kristallisierbar und weisen keine Tendenz zur Polymerisation auf. Ihr Geruch ist etwas weniger unangenehm.<ref name="Kracher 2007" /><ref name="Mayer 1964" /> Zudem hängt die Stabilität und damit ihre Reaktivität mit der photometrischen Reaktionsfähigkeit zusammen.<ref name="Lewis 1945">G. N. Lewis, N. Kasha: Phosphorescence in Fluid Media and the Reverse Process of Singlet-Triplet Absorption. In: Journal of the American Chemical Society. Band 67, Nr. 6, 1945, S. 994–1003. doi:10.1021/ja01222a032.</ref>
Chemische Eigenschaften
Obwohl Kohlenstoff und Schwefel in der charakteristischen C=S-Doppelbindung dieselbe Elektronegativität aufweisen, und die Doppelbindung darum als schwach polar aufgefasst werden könnte, ist sie leicht polarisierbar.<ref name="Opitz 1967">G. Opitz: Sulfine und Sulfene - die S-Oxide und S,S-Dioxide der Thioaldehyde und Thioketone. In: Angewandte Chemie. Band 79, Nr. 4, 1967, S. 161–177. doi:10.1002/ange.19670790402</ref> Das zeigt sich in ihrer Eigenschaft, als Dipolarophile in Cycloadditionsreaktionen zu reagieren.<ref name="Fišera 1996">L. Fišera u. a.: New thione chemistry. In: Pure and applied chemistry. Band 68, Nr. 4, 1996, S. 789–798. doi:10.1351/pac199668040789.</ref> Grundsätzlich reagieren Thiocarbonylverbindungen im Vergleich zu Carbonylverbindungen wesentlich schneller in Cycloadditionen.<ref name="McGregor 1993">W. M. McGregor, D. C. Sherrington: Some Recent Synthetic Routes th Thioketones and Thioaldehydes. In: Chemical Society Reviews. Band 22, Nr. 3, 1993, S. 199–204. doi:10.1039/CS9932200199.</ref> Begründet durch die Festkörperstruktur können auch intramolekulare Diels-Alder-Reaktionen erfolgen.<ref name="Jutzi 1993">P. Jutzi u. a.: Bis(pentamethylcyclopentadienyl)keton und -thioketon: Kohlenstoff-Verbindungen mit präformierter Diels-Alder-Geometrie. In: Chemische Berichte. Band 126, Nr. 2, 1993, S. 415–420. doi:10.1002/cber.19931260219.</ref> Insgesamt handelt es sich um reaktionsfreudige Verbindungen, welche sowohl mit nucleophilen als auch in elektrophilen Reagenzien leicht umgesetzt werden können.<ref name="Voss 1985" /> Die oben beschriebene Thioketo-Enthiol-Tautomerie hat erheblichen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften von Thioketonen. Einige liegen, besonders in protischen Lösungsmitteln, nahezu vollständig als Enthiole vor. Andere bevorzugen den Zustand als Thioketon. Das ermöglicht vielfältige Reaktionen mit nucleophilen und mit elektrophilen Reagenzien (Kapitel: Reaktionen).<ref name="Mayer 1964" /> Zudem können Thioketone Komplexverbindungen mit Metallen der sechsten Nebengruppe bilden.<ref name="Fischer 1982">H. Fischer, R. Märkl: Thioketon-Komplexe durch Insertion des Schwefels von Organylisothiocyanaten in die Metall-Carbenkohlenstoff-Bindung. In: Chemische Berichte. Band 115, Nr. 4, 1982, S. 1349–1354. doi:10.1002/cber.19821150411.</ref> Die chemischen Eigenschaften α-β-ungesättigter Thioketone unterscheiden sich von den Eigenschaften gesättigter Thioketone. Das liegt zum einen an den konjugierten C=C- und C=S-Doppelbindungen, welche Thioketone solcher Art zu besonders reaktionsfreudigen Dienen in Diels-Alder-Reaktionen machen. Zum anderen ist die Tautomerisierung zu Enthiolen ausgeschlossen. Dieser Effekt wird durch elektronenschiebende Substituenten in β-Stellung begünstigt (mesomerer Effekt).<ref name="Voss 1985" />
Synthese
Die Synthese von Thioketonen bereitet aufgrund der Instabilität der Monomere und des starken Geruchs Wissenschaftlern häufig Schwierigkeiten. Zunächst wurde angenommen, dass sich Thioketone durch die Pyrolyse der Trimere oder durch die Einwirkung von Schwefelwasserstoff auf Ketone im sauren Milieu gewinnen liesen.<ref name="Ettinghausen 1966">O. G. Von Ettinghausen: Polythioacetone. In: Polymer. Band 7, Nr. 9, 1966, S. 469–474. doi:10.1016/0032-3861(66)90005-X.</ref><ref name="Mayer 1963">Roland Mayer u. a.: Die basenkatalysierte Umsetzung von Ketonen mit Schwefelwasserstoff. In: Angewandte Chemie. Band 75, Nr. 21, 1963, S. 1011–1014. doi:10.1002/ange.19630752103.</ref> Letztere Methode hat sich nur in Einzelfällen bewährt. Viele der in der Literatur zitierten Methoden haben den Nachteil, dass die Produkte unrein sind und anstatt von Thioketonen geminale Dithiole entstanden. Roland Mayer schlug daraufhin eine Synthese von Thioketonen aus geminalen Dithiolen vor:<ref name="Mayer 1964" />
Dabei werden zwei Äquivalente des Dithiols mit Malonsäuredinitril umgesetzt, wobei unter Abspaltung eines Thioamids das entsprechende Thioketon gebildet wird.<ref name="Voss 1985" /> Außerdem können arylsubstituierte, geminale Dichloride (Ketochloride) verwendet werden. Dieses, aus Ketonen leicht zugängliche Edukt, wird mit Kalium-O-ethyldithiocarbonat umgesetzt. Das entstehende Zwischenprodukt reagiert unter Abspaltung von Chlorethan und Carbonylsulfid zum entsprechenden Thioketon.<ref name="Schönberg 1955" /><ref name="Voss 1985" /><ref name="Ferri 1978">C. Ferri: Reaktionen der organischen Synthese: 2700 technische und präparative Herstellungs- und Umwandlungsreaktionen. Thieme, Stuttgart 1978, ISBN 3-13-487401-6, S. 490f.</ref>
Thiobenzophenon ist ein klassisches Beispiel für ein Thioketon. Bei beiden Resten handelt es sich um Arylreste, welche die Verbindung stabilisieren. Diese Stabilität macht das Thioketon handhabbar. Es kann auf unterschiedlichen Wegen synthetisiert werden, z. B. durch die Umsetzung von Benzophenon mit Schwefelwasserstoff und Salzsäure (Weg A), oder durch eine Schwefelvariante der Friedel-Crafts-Acylierung von Benzol mit einem Thiosäurechlorid (Weg B):<ref name="Viola 1968">H. Viola u. a.: Friedel-Crafts-Reaktionen mit Thiosäurechloriden. In: Polymer. Band 101, Nr. 10, 1968, S. 3517–3529. doi:10.1002/cber.19681011024.</ref><ref name="Voss 1985" />
Alternativ kann Thioessigsäure mit Ketochloriden umgesetzt werden, wobei unter Abspaltung von Salzsäure ebenfalls Thiobenzophenon gebildet wird. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass sie nicht im alkoholischen Medium stattfindet, sodass Nebenreaktionen (welche auf der Reaktion zwischen Ketochchloriden und Alkoholen beruhen) ausgeschlossen sind.<ref name="Mayer 1964" /> Analog zur Synthese von Michlers Keton kann Michlers Thioketon durch die Reaktion von Thiophosgen mit N,N-Dimethylanilin gebildet werden. Das Zinkchlorid fungiert dabei als Lewis-Katalysator.<ref name="McGregor 1993" />
Heutzutage existieren jedoch effizientere Methoden zur Thionisierung. Diese beinhalten oft die Umsetzung von Ketonen mit Lawessons Reagenz. Andere Varianten setzen Ketone mit Phosphorpentasulfid um, wobei Aluminiumoxid als Katalysator fungiert.
Die Idee Phosphorpentasulfid als Reagenz zur Thioketonsynthese zu verwenden wurde früh vorgeschlagen und häufig als gutes Mittel zur Schwefelung von Ketonen beschrieben.<ref name="Voss 1985" /> Der Zusatz von Aluminiumoxid ist eine moderne Variante, welche die Reaktion enorm beschleunigt und die Ausbeuten stark erhöht.<ref name="Polshettiwar 2004" /> Darüber hinaus wurden weitere Methoden zur Herstellung von Thioketonen beschrieben.<ref name="Mloston 2002">G. Mloston, H. Heimgartner: Thiocarbonyl Ylides. In: W. H. Pearson (Hrsg.): The Chemistry of heterocyclic compounds: Synthetic Applications of 1,3-Dipolar Cycloaddition Chemistry toward Heterocycles and natural products. Wiley, New York 2002, S. 315–360. doi:10.1021/ja025264v.</ref> Hierzu zählt die Synthese aus Alkinen mit Schwefelwasserstoff unter Lichteinwirkung, die Reaktion von Ketohydrazonen mit Dischwefeldichlorid oder durch die [3,3]-sigmatrope Thio-Claisen-Umlagerung von Allyl-vinyl-ethern.<ref name="Voss 1985" />
Reaktionen
Vor allem aliphatische Thioketone neigen aufgrund von ihrer Reaktivität zur Trimerisierung.<ref name="Kracher 2007" /> Dabei werden substituierte 1,3,5-Trithiane gebildet. Die Derivate von 1,3,5-Trithian können in organischen Synthesen nützliche Zwischenprodukte darstellen.<ref name="Römpp-Online Trithiane">Eintrag zu Trithiane. In: Römpp Online. Georg Thieme VerlagVorlage:Abrufdatum{{#if: {{#invoke:Wikidata|pageId}}||{{#ifeq: 0 | 0 | }} }}</ref>
Die größten Unterschiede zwischen den Reaktionen von Thioketonen und Ketonen wurden bei der Reaktion mit Nucleophilen, Olefinen und konjugierten Dienen beobachtet. Während nucleophile Angriffe bei Carbonylverbindungen am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe erfolgen, können sie bei Thiocarbonylverbindungen sowohl am Kohlenstoff- als auch am Schwefelatom auftreten.<ref name="McGregor 1993" /> Mit Monoolefinen können Thioketone in En-Reaktionen zu acyclischen Verbindungen wie Thioethern oder zu Thiolen reagieren:
Cyclische Produkte können durch die Diels-Alder-Reaktion synthetisiert werden, indem z. B. ein konjugiertes Dien mit einem Thioketon zur Reaktion gebracht wird, wobei die C=S-Doppelbindung das Dienophil darstellt:
Auf diese Weise können heterocyclische Verbindungen synthetisiert werden. Cycloadditionsreaktionen laufen mit Thioketonen wesentlich schneller ab, als mit Ketonen.<ref name="McGregor 1993" /> Außerdem lassen sich durch diese Reaktion Dihydrothiopyrane herstellten.<ref>B. König u. a.: Organische Schwefelverbindungen, 8. Mitteilung: Bildung von Thiophenen durch Pyrolyse von Dihydrothiopyranen, Reaktionen der Diels-Alder-Addukte aus Thioflurenon und 1,3-Butadienen in der Hitze und unter Elektronenstoß. In: Chemische Berichte. Bd. 107, 1974, S. 2931–2937, doi:10.1002/cber.19741070916.</ref>
| Oxidationsprodukte von Thioketonen<ref name="Opitz 1967" /> |
|---|
| Thioketon Thioketon |
| Sulfin Thioketonoxid (Sulfin) |
| Sulfen Thioketondioxid (Sulfen) |
Heterocyclische Verbindungen können auch durch die Umsetzung von Thioketonen mit Diazomethan gewonnen werden. Dabei wird unter Abspaltung von Stickstoff (N2) ein dipolares Intermediat gebildet. Dieses kann erneut mit einem Thioketon umgesetzt werden, wobei durch Dimerisierung heterocyclische Verbindungen erhalten werden. Das Intermediat kann allerdings auch eine irreversible, intramolekulare Cycloaddition eingehen und Thiirane bilden.<ref name="Kellog 1976">Richard M. Kellogg: The molecules R2CXCR2 including azomethine, carbonyl and thiocarbonyl ylides. Their syntheses, properties and reactions. In: Tetrahedron. Band 32, Nr. 18, 1976, S. 2165–2184. doi:10.1016/0040-4020(76)85131-9.</ref> Diese können in einem weiteren Reaktionsschritt in Alkene überführt werden.<ref name="Opitz 1967" /><ref name="Sustmann 2003">R. Sustmann u. a.: A Computational Study of the Cycloadditions of Thiobenzophenone S-Methylide to Thiobenzophenon. In: Journal of the American Chemical Society. Band 125, Nr. 47, 2003, S. 314425–14434. doi:10.1021/ja0377551.</ref><ref name="Huisgen 1984">R. Huisgen u. a.: Recent developments of the chemistry of thiocarbonyl ylides. In: Bulletin des Sociétés Chimiques Belges. Band 93, Nr. 7, 1984, S. 511–532. doi:10.1002/bscb.19840930701.</ref>
Des Weiteren können Thioketone oxidiert werden. Eine solche Oxidation führt zu Sulfinen, den S-Oxiden der Thioketone, und schließlich zu Sulfenen, den S,S-Dioxiden der Thioketone.<ref name="Opitz 1967" /> Die Bezeichnung Sulfine wurde von Sheppard und Diekmann geprägt, um die strukturelle Beziehung zu Sulfenen zum Ausdruck zu bringen.<ref name="Sheppard 1964">W. A. Sheppard, J. Diekmann: Sulfines. In: Journal of the American Chemical Society. Band 86, Nr. 9, 1964, S. 1891–1892. doi:10.1021/ja01063a075.</ref> Diese wurde hingegen eingeführt, um ihre Verwandtschaft mit Ketenen zu betonen.<ref name="Wedekind 1911">E. Wedekind, D. Schenk: Über das Verhalten von Sulfochloriden gegen starke Tertiärbasen. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 44, Nr. 1, 1911, S. 198–202. doi:10.1002/cber.19110440129.</ref> Beide Bezeichnungen werden aus traditionellen Gründen verwendet. Sowohl die IUPAC als auch moderne Literatur empfiehlt die Bezeichnungen Thioketonoxid bzw. Thioketondioxid.<ref name="Hellwinkel 2006">D. Hellwinkel: Die systematische Nomenklatur der organischen Chemie: Eine Gebrauchsanweisung. 5. Auflage. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-26411-6, S. 113–146.</ref> Während Sulfine früh als stabile Verbindungen dargestellt wurden, gelang dies mit Sulfenen relativ spät.<ref name="King 1971">J. F. King, R. A. Marty, P. De Mayo, D. L. Verdun: Organic sulfur mechanisms. XI. Flash thermolysis. VII. Reactivity and infrared spectrum of sulfene. In: Journal of the American Chemical Society. Band 93, Nr. 23, 1971, S. 6304–6305. pubs.acs.org.</ref><ref name="Sander 1997">W. Sander, A. Kirschfeld, M. Halupka: Matrix Isolation of Diphenylsulfene and Diphenyl-α-sultine. In: Journal of the American Chemical Society. Band 119, Nr. 5, 1997, S. 981–986. doi:10.1021/ja962949k.</ref> Letzteres ist in der Reaktivität von Sulfenen begründet, denn die Partialladungen der einzelnen Atome sind stärker ausgeprägt als bei Sulfinen, so dass elektrophile Angriffe auf das Kohlenstoffatom wesentlich leichter erfolgen können. Als Oxidationsmittel fungieren dabei meistens Wasserstoffperoxid oder Peroxycarbonsäuren, wobei Ozon oder Singulettsauerstoff in Einzelfällen ebenfalls eingesetzt wurden. Allerdings ist wichtig, dass der Sauerstoffüberträger nicht im Überschuss verwendet wird, weil Sulfine oxidationsempfindlich sind und darum leicht unter Abgabe von Schwefeldioxid zu den entsprechenden Carbonylverbindungen reagieren können.<ref name="Campaigne, E. 1946" /> Thioketone können auch mit organischen Aziden umgesetzt werden, wobei Imine als Zwischenprodukte gebildet werden. Wenn diese hydrolytisch gespalten werden, können Ketone und primäre Amine erhalten werden.<ref name="Schönberg 1955" />
Reaktionsübersicht
Die Folgenden Tabellen zeigen eine Übersicht von Reaktionen der Thioketone mit einigen nucleophilen und elektrophilen Reagenzien. Aliphatische Thioketone reagieren mit Nucleophilen unter Eliminierung von Schwefelwasserstoff weitestgehend analog zu Ketonen. Mit elektrophilen Reagenzien reagieren nahezu alle Thioketone am Schwefelatom zu Derivaten von Enthiolen, was einige präparative Möglichkeiten eröffnet. Vereinzelt sind Reaktionen am α-Kohlenstoffatom ebenfalls möglich. Die Tabelle ist beispielhaft auf aliphatische, symmetrische Thioketone bezogen, die Reaktionen können auch mit asymmetrischen Thioketonen durchgeführt werden.<ref name="Mayer 1964" />
Thioketon (z. B. R = CH3) |
Reagenz | Produkt |
|---|---|---|
| H2O Wasser |
(Keton) | |
| HOCH3 Methanol (primärer Alkohol) |
(Ketal) | |
| H2S Schwefelwasserstoff |
(geminales Dithiol) | |
| H2NOH Hydroxylamin |
(Ketoxim) | |
| N2H4 Hydrazin |
(Ketazin) | |
Semicarbazid |
(Semicarbazon) | |
Phenylhydrazin |
(Hydrazon) | |
| H2NCH3 Methylamin (primäres Amin) |
(Imin) | |
| Reduktionsmittel (z. B. LiAlH4) |
Unterschiedliche Produkte möglich (z. B. Aromaten, primäre Amine) <ref name="Mayer 1966">R. Mayer, S. Scheithauer, D. Kunz: Clemmensen-Reduktion und Halbstufenpotentiale einiger Thiocarbonsauren und Abkömmlinge . In: Chemische Berichte. Band 99, Nr. 4, 1966, S. 1393–1413. doi:10.1002/cber.19660990449</ref> |
Praktische Bedeutung
Thioketone haben überwiegend präparative Bedeutung für Synthesen in der Organischen Chemie.<ref name="Kracher 2007" /><ref name="Metzner 1999">P. Metzner: Thiocarbonyl compounds as specific tools for organic synthesis. In: P. C. B. Page (Hrsg.): Organosulfur Chemistry I. Springer, Berlin 1999, ISBN 3-540-65787-8, S. 127–181.</ref> Organische Schwefelverbindungen bieten grundsätzlich nicht nur vielfältige, synthetische Möglichkeiten, sie spielen auch in biologischen Prozessen eine wichtige Rolle. Sie wurden bereits zur Herstellung von Pharmazeutika, Polymeren, Pestiziden und Herbiziden eingesetzt.<ref name="Polshettiwar 2004">V. Polshettiwar, M. P. Kaushik: A new, efficient and simple method for the thionation of ketones to thioketones using P4S10/Al2O3. In: Tetrahedron Letters. Band 45, Nr. 33, 2004, S. 6255–6257. doi:10.1016/j.tetlet.2004.06.091.</ref> Für die Einführung von Schwefelatomen in Heterocyclen eignen sich Thioketone besonders gut.<ref name="McGregor 1993" />
Einzelnachweise
<references responsive />