Краткие ответы

Здесь всё просто, если иметь в виду то, что элементарная сера является электрофилом. Любое соединение со связью S-S может быть электрофилом, точно так же как электрофилами являются перекисные соединения. Здесь нет ничего особенного, потому что точно по той же причине являются электрофилами галогены. Да и вообще любые соединения, в которых есть связи галоген-галоген, галоген-халькоген, халькоген-халькоген являются электрофилами (примем что и кислород в этом смысле халькоген). С азотом и пниктогенами это уже не работает как общая закономерность. Пока оставим вопрос, по какому из атомов в соединении с разными элементами будет электрофильный центр. Сосредоточимся на сере, а дальше это легко будет обобщить, если будет на то желание. Возьмём соединение со связью сера-сера, и какими-то довесками с другой стороны, мы имеем дело с двухвалентной серой. Атака нуклеофила на один из атомов серы может привести к образованию новой связи, и уходу второго атома серы в виде аниона – нуклеофугной уходящей группы. Для серы это вполне естественно, ведь это вполне зачётный неметалл с неплохой электроотрицательностью. Впрочем, точно так же поступили бы и соединения селена или теллура (про полоний не скажу). Если бы соединение было несимметричным, выбор между серами был бы именно по качеству уходящей группы – то, что висит на сере может стабилизировать анион, а может и дестабилизировать (на сере могут быть индуктивные эффекты и гиперконъюгация, но не обычное сопряжение, которое мы оставляем во втором периоде). Это не что иное как нуклеофильное замещение на атоме серы, причем бимолекулярное и дико похожее на наше обычное нуклеофильное замещения, настолько, что мы можем пока без доказательств обозначить этот механизм как SN2(S) – эс-эн-два-на-сере:

Что такое элементарная сера? Это вещество, составленное из молекул, представляющих собой цепочки атомов двухвалентной серы. Кислород, как известно, не может образовывать цепочки больше чем на 2 атома из-за альфа-эффекта – отталкивания соседних атомов. У элементов 3 периода и ниже этой проблемы нет – городите любые цепочки и проблема только в том, что связи S-S достаточно слабые, и слишком длинные цепочки неустойчивы к термическому гомолизу – поэтому достигается некоторый компромисс между длинной и устойчивостью. Чтобы не думать, куда деть концы такой цепочки, их проще замкнуть в цикл. В обычной сере, с которой мы имеем дело, основная форма это коронообразный конформер цикла S₈. Да, собственно, и плевать бы на конкретную форму элементарной серы – пошли бы любые цепочки, но возьмём для определенности именно этот цикл. В нём полно связей S-S, значит и атаку нуклеофила написать легко – все атомы серы в начале одинаковые. Цикл размыкается и на другом конце оказывается сульфид. Но если реакция идёт в протонодонорной среде, то обычным образом можем учесть равновесие нуклеофила с сопряжённой кислотой, и перекинуть протон на конец цепочки, чтобы нас не раздражал отрицательный заряд (он вполне безобиден и никому не мешает, но может оскорбить чувства верующих).

Серу раскроет не любой нуклеофил, но только более-менее шустрый, поэтому серу не так просто растворить и приходится подбирать среду. И еще важна прочность образующейся связи: поэтому азотный или кислородные нуклеофилы не раскрывают серу и не растворяют её – связи недостаточно прочные (только не путайте с гипервалентными связями как в серном ангидриде и многих других соединениях), а вот углеродные нуклеофилы отлично раскрывают серные цепочки, птому что связи сера-углерод очень даже ничего себе связи. Реакция с нуклеофилами, скорее всего, инициируется по той же самой причине, по которой и галогены становятся электрофилами – вначале нуклеофил цепляется за сигма-дырку и завязывает слабую, но вполне достаточную для активации там галогенную, а здесь халькогенную связь, это почти одно и то же. О том, что это такое можно посмотреть в моей последней лекции этого нового курса про органику 21 века. Не знаю, смотрел ли кто-то уже на такие реакции с этой стороны, но если не успел ещё, то скоро обязательно кто-нибудь “прозреет” и накатает статейку.

Теперь переходим к интересующей Вас реакции. Есть енолизуемый кетон (или альдегид, но альдегиды в такой системе скорее всего будут давать кучу побочных и низкие выходы желаемого). Поскольку нам нужен для реакции с серой нуклеофил, то это равновесный енол. Но – енола очень мало и он слабонуклеофилен дял реакции с серой без дополнительной активации. Поэтому я думаю, что сначала из кетона и аммиака возникает обычная таутомерная пара имин-енамин, и вот енамин уже вполне нуклеофилен для реакции с серой без активации. Я бы выбрал именно такой путь. На вопрос, а почему мы не получаем енамины из кетонов и аммиака, ответ простой – не остановитесь на просто енамине, реакция пойдёт дальше, для аждого кеона будут свои продукты. Но если мы перехватываем енамин (как, например, мы делаем в восстановительном аминировании), здесь – серой – то такой путь становится не просто реальным, но даже, я бы сказал, вполне очевидным.

Результатом будет очень реакционноспособный политио-замещённый имин. Цепочка сер в таком интермедиате просит кирпича дальнейшего расщепления нуклеофилами. Где взять? Азот мы уже забраковали, вот углерода бы ещё… А вот у нас оказывается двукратный избыток кетона и есть ещё целый эквивалент. И он тоже наверное – аммиак дуют тоже в смесь от души, не жадничают – находится в равносесии с имином и енамином, вот мы енамином серную цепочку и крякнем. Если сделать это на второй сере, то мы получим в результате еще политиозамещенный имин, но на одну серу меньше. О, сразу становится ясно, что этот процесс – SN2(S) – можно будет продолжать, пока в смеси есть кетон, то есть до конца, и так разобрать цепь сер по одной сере полностью, ведь пока есть связи S-S, есть и электрофильность серы. А уходящей группой (после перекидывания протона) будет тиол-замещенный енамин.

Дальше понятно – обычная гетероциклизация с кетоном, ведь кетон в смеси тоже есть, равновесие образования енамина никогда не бывает количественным. Это самая обычная реакция, похожая на обазование циклических ацеталей с диолами, здесь вместо гидроксилов не менее нуклеофильные амин и тиол, а пятичленная циклизация вытянет любую реакцию. Вот и гетероцикл – с точки зрения последней реакции это циклический диацеталь тио-аминаль. С точки зрения гетероциклов это тиазол с одной гидрированной двойной связью – тиазолин. Это номенклатура такая гетероциклов с азотом: пятичленный ароматический называется по гетероатомам с окончанием – ол, с одной двойной связью – –олин, полностью гидрированный – олидин. Посмотрев на этот тиазолин, мы увидим, что он является по совместительству енамином, ну а значит может иметь в равновесии второй изомер иминной структуры. В реальности это может быть и равновесной смесью, и одной из преобладающих форм в зависимости от конкретных заместителей, но нам сейчас это совсем до лампочки.

Уф, разобрались, как можно разбирать цепочки сер, каждый раз выхватывая по одной за счёт эс-эн-два-на-сере и используя электрофильность серы в связях S-S. Судя по высоким выходам в этой реакции без использования избытков реагентов, это неплохо и почти количественно происходит, но даже 10-20% зависших на стадии недоразобранных интермедиатов придадут таким смесям неземные ароматы.

Реакций таких, где енолизуемые карбонильные соединения разбирают серу при помощи какого-нибудь дополнителого нуклеофила, немало. В общем, там все должно быть похоже.

И теперь, конечно же, мы знаем, почему сера охотно реагирует с изоцианидом, но не очень хорошо  с дихлоркарбеном. Сера – электрофил и реагирует с нуклеофилами. Изоцианид – это нуклеофильный стабильный карбен (если это не очевидно, опять могу отослать к лекции из цикла про 21 век про карбены). Дихлоркарбен – это электрофильный короткоживущий карбен.

Нуклеофильные карбены охотно реагируют с электрофилами, сера не исключение. Просто как нуклеофилы. Но на углероде тогда остается секстет, а значит мы должны обозначить формальный заряд плюс – это теперь стабилизированный карбокатион. И цепочка разорвана, и если нет протонодонорной среды, минус и заткнуть нечем. Ну и чёрт с ним, не мешает. Приступаем к разборке цепочки как мы уже умеем, выщёлкивая нуклеофилом серу за серой. Аккуратно обозначаем связи и заряды, рисуем одну из граничных структур, а если не лень, то обе. Дальше там просто итеративная процедура, ничего нового. В самом конце, когда останутся две серы, будет немного страшно, но не теряйте веры в справедливость процесса и всё получится.

Кстати, это хороший способ избавляться от совершенно тошнотворного запаха самих изоцианидов. Только на замену получите не менее тошнотворный запах остатков серных хвостов. Поэтому лучше изоцианид убивать окислителями, особенно пероксидными – это ксатати ровно такая же реакция, только с электрофильным кислородом.

Дихлоркарбен это электрофил, и нехилый. В принципе, сера обладает и нуклеофильностью, ведь у неё есть пара. Посмотрим, что получится:

Это илид – карбанион, стабилизированный соседним атомом с положительным зарядом. Но что с ним делать? Мы не видим пути разрыва связей S-S, если только в смеси нет ещё какого-нибудь нуклеофила (сам илид может быть таковым, но мы тогда очень сильно всё усложним). И карбанион надо как-то гасить, протоны искать или другой электрофил. В общем, ничего простого не просматривается. К тому же, реакции короткоживущих частиц с гетерогенными реагентами вообще плохая затея – частица образуется в растворе, до поверхности надо ещё доплыть, а времени жизни отведено мало, по дороге погибнуть успеет. Время жизни и среднее время диффузии могут быть сопоставимы или даже совсем не в пользу частицы. И даже если одной чвастице повезет, интермедиат образуется на поверхности, его надо будет оттуда выковыривать другими частицами, но это уже будет совсем маловероятное событие – второй частице придется доплыть не прото до поверхности, но до конкретного места на этой поверхности.

Вот как-то так. Если что забыл, напомните.

В самом вопросе есть некоторое недоразумение, и если его разрешить, то всё станет ясно, и вопрос исчезнет. Во-первых, термин “литирование” в органике имеет довольно широкий смысл – получение литиевых производных, а уж как, это дело второе, можно уточнить при необходимости. Поэтому, например, получение литиевых енолятов это тоже литирование, даже несмотря на то, что еноляты нельзя считать литийорганическими соединениями, потому что литий в них координирован по кислороду, а не углероду.

Есть два основных способа литирования: депротонирование CH-кислот с помощью сильных оснований, содержащих противоион лития: a) простой литийорганики (MeLi, PhPi, BuLi, sec-BuLi, tert-BuLi), в эфирных растворителях, и для увеличения эффективной основности в присутствии деагрегирующих добавок;  б) амидов лития, самый популярный LDA, но применяются и гексаметилдисилазид LiHMDS, и тетраметилпиперидид; в) гидрид лития. Диапазон достигаемой основности весьма велик, в среднем литийорганика основнее амидов, а они основнее гидрида; всё это можно в широком диапазоне подстраивать координирующими и деагрегирующими добавками. Чтобы что-то депротонировать надежно и не получить равновесную смесь, нужно иметь запас по pK хотя бы 5 единиц; впрочем, поскольку мы в большинстве случаев не знаем эти величины в разных средах, то действовать приходится из общих соображений и по предыдущему опыту.

Разновидность депротонирующего литирования является направленное литирование, если есть производное бензола с заместителем, в котором есть гетероатом с неподеленной парой, обычно это атомы азота, кислорода или серы. Или гетероцикл с таким гетероатомом. Тогда такой атом участвует в координации с катионами лития литирующего агента, способствуя сближению протона и основного центра агента. В реальности там всё сложнее чем простой комплекс, который обычно рисуют, – образуются сложные агрегаты с несколькими молекулами литирующего агента, который соственно и сам представляет собой агрегаты, даже если использованы деагрегирующие агенты. Это неважно, а важно то, что это очень эффективный способ литирования по таким положениям, причем так преодолевается очень неблагоприятная разница в рК.

Второй способ литирования – обмен литий-галоген, почти всегда с галогенами на sp2-гибридном углероде. Литирующий агент обычно алкиллитий, что более-менее понятно даже чисто из общих соображений: если литийорганика это как бы карбанион в первую очередь, то винильный, арильный или герероарильный карбанион стабильнее алкильного по общим правилам, поэтому направление реакции понятно. Здесь не может играть роль основность, потому что нигде не переносятся протоны, но может и должна играть роль стабильность аниона, хоть он и не свободный, а в сложном агрегате с противоионами и несколькими другими карбанионми.

Механизм этой реакции, скорее всего, нуклеофильное замещение на атоме галогена (SN2(X)), тогда реакция должна идти через переходное состояние, предполагающее возможность как прямой, так и обратной реакции, и тогда ясно, почему так важна стабильность карбаниона в литиорганике. В упрощённом виде так, хотя ясно, что во всём, что касается литийорганики, в реакциях участуют не отдельные молекулы или тем более ионы, а агрегаты, но это и способствует реакции, потому что ионы не образуются, что всегда невыгодно, а из одного агрегата переезжают в другой.

В реакции обмена галоген-литий невозможно использовать амиды лития, ни LDA, ни другие, собственно, мы уже видим почему – атака азотного нуклеофила на галоген невыгодна сразу по куче причин: во-первых, азотный анион всегда стабильнее углеродного просто из-за электроотрицательности; во-вторых, потому что связи азот-галоген намного слабее связей углерод-галоген из-за отталкивания электронных пар на соседних атомах, поэтому даже сама по себе атака амида на галоген должна иметь высокую энергию активации и быть крайне невыгодной. Ну и наконец – просто представьте, что реакция всё же пошла и в смеси начал образовываться галогенамин и вместе с литийорганикой – просто пойдет окислительно-восстановительная реакция. В общем, сплошные обломы.

Поэтому LDA и другие амиды лития могут участвовать только в депротонирующем литировании, в том числе направленном, а в обменном литировании не могут.

Смотрим теперь пример из упомянутой статьи. 3-бромтиофен – совершенно зачётный кандидат в направленное литирование, причём соседний бром только дополнительно улучшит условия депротонирования, потому что увеличивает кислотность соседнего протона. Да, в первую очередь работает направленный процесс, но скидкой в пару единиц рК тоже не разбрасываются, тем более, что LDA не самый сильный литирующий агент.

А почему тогда не взяли були? Постому что в этом случае всё же могла быть конкуренция направленного литирования и обменного, а так мягче и чище. Впрочем, ещё чаще дело в том, что конкретным химикам приятнее методика, всё есть под рукой, уже пробовали и понравилось, и так далее. Но вот чего тут точно не могло быть, так это чистого обмена, тем более с LDA. Кстати, на очень похожем субстрате, п-броманизоле, Георг Виттиг и обнаружил впервые направленное литирование.