ثنائي الكبريتيد

تتميز ثنائيات الكبريت بزاوية ثنائية السطوح C–S–S–C تقترب من 90 درجة. يبلغ طول الرابطة S–S 2.03  أنغستروم في ثنائي فينيل ثنائي الكبريتيد ، ^{[ 1 ]} وهو مشابه لطولها في الكبريت العنصري.

تكون مركبات ثنائي الكبريت عادةً متناظرة، ولكنها قد تكون غير متناظرة أيضًا. مركبات ثنائي الكبريت المتناظرة هي مركبات صيغتها RSSR . معظم مركبات ثنائي الكبريت التي تُصادف في كيمياء الكبريت العضوية هي مركبات متناظرة. أما مركبات ثنائي الكبريت غير المتناظرة (وتُسمى أيضًا مركبات ثنائي الكبريت غير المتجانسة أو المختلطة ) فهي مركبات صيغتها RSSR' . مركبات ثنائي الكبريت غير المتناظرة أقل شيوعًا في الكيمياء العضوية، ولكن العديد من مركبات ثنائي الكبريت في الطبيعة غير متناظرة.

Disulfide bonds are strong, with a typical bond dissociation energy of 60 kcal/mol (251 kJ mol⁻¹). However, being about 40% weaker than C−C and C−H bonds, the disulfide bond is often the "weak link" in many molecules. Furthermore, reflecting the polarizability of divalent sulfur, the S−S bond is susceptible to scission by polar reagents, both electrophiles and especially nucleophiles (Nu):^[3]

RS−SR + Nu⁻ → RS−Nu + RS⁻

The disulfide bond is about 2.05 Å in length, about 0.5 Å longer than a C−C bond. Rotation about the S−S axis is subject to a low barrier. Disulfides show a distinct preference for dihedral angles approaching 90°. When the angle approaches 0° or 180°, then the disulfide is a significantly better oxidant.

Disulfides where the two R groups are the same are called symmetric, examples being diphenyl disulfide and dimethyl disulfide. When the two R groups are not identical, the compound is said to be an asymmetric or mixed disulfide.^[4]

Although the hydrogenation of disulfides is usually not practical, the equilibrium constant for the reaction provides a measure of the standard redox potential for disulfides:

RSSR + H₂ → 2 RSH

This value is about −250 mV versus the standard hydrogen electrode (pH = 7). By comparison, the standard reduction potential for ferrodoxins is about −430 mV.

Disulfide bonds are usually formed from the oxidation of thiol (−SH) groups, especially in biological contexts.^[5] The transformation is depicted as follows:

2 RSH ⇌ RS−SR + 2 H⁺ + 2 e⁻

A variety of oxidants participate in this reaction including oxygen and hydrogen peroxide. Such reactions are thought to proceed via sulfenic acid intermediates. In the laboratory, iodine in the presence of base is commonly employed to oxidize thiols to disulfides. Several metals, such as copper(II) and iron(III) complexes affect this reaction.^[6] Alternatively, disulfide bonds in proteins often formed by thiol-disulfide exchange:

RS−SR + R′SH ⇌ R′S−SR + RSH

تتم هذه التفاعلات بواسطة الإنزيمات في بعض الحالات، وفي حالات أخرى تخضع للتحكم بالتوازن، خاصة في وجود كمية تحفيزية من القاعدة.

ينتج عن ألكلة ثنائي كبريتيدات ومتعدد كبريتيدات الفلزات القلوية ثنائي كبريتيدات. وتتكون بوليمرات "ثيوكول" عند معالجة متعدد كبريتيد الصوديوم بثنائي هاليد ألكيل. وفي التفاعل العكسي، تتفاعل الكواشف الكربونيونية مع الكبريت العنصري لتكوين مخاليط من الثيوإيثر وثنائي الكبريتيد ومتعدد الكبريتيدات الأعلى. غالبًا ما تكون هذه التفاعلات غير انتقائية، ولكن يمكن تحسينها لتطبيقات محددة.

طُوِّرت العديد من الطرق المتخصصة لتكوين ثنائي الكبريتيد غير المتماثل. تتفاعل الكواشف التي تُنتج ما يُعادل " RS ⁺ " مع الثيولات لتكوين ثنائي الكبريتيد غير المتماثل: ^{[ 5 ]}

RSH + R′SNR″ ₂ → RS−SR′ + HNR″ ₂

حيث R″ ₂ N هي مجموعة الفثاليميدو . كما تُستخدم أملاح بونتي ، وهي مشتقات من النوع RSSO − 3 Na ^+، لتوليد ثنائي كبريتيد غير متماثل: ^{[ 7 ]}

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

أهم ما يميز روابط ثنائي الكبريتيد هو انكسارها، إذ تُعدّ رابطة S-S عادةً أضعف رابطة في الجزيء العضوي. وقد طُوّرت العديد من التفاعلات العضوية المتخصصة لكسر هذه الرابطة.

تُختزل مجموعة متنوعة من عوامل الاختزال ثنائي الكبريتيد إلى ثيولات . تُعد عوامل الهيدريد من الكواشف النموذجية، ومن التجارب المخبرية الشائعة "إعادة البيض إلى حالته الأصلية" باستخدام بوروهيدريد الصوديوم . ^{[ 8 ]} تُحدث الفلزات القلوية نفس التفاعل بشكل أكثر فعالية.

RS−SR + 2 Na → 2 NaSR

يتبع ذلك بروتنة الثيولات المعدنية الناتجة:

NaSR + HCl → HSR + NaCl

في التجارب المعملية للكيمياء الحيوية، تعمل مركبات الثيول مثل بيتا- ميركابتوإيثانول (β-ME) أو دايثيوثريتول (DTT) كعوامل اختزال من خلال تبادل الثيول-ثنائي الكبريتيد . وتُستخدم كواشف الثيول بكميات زائدة لدفع التوازن نحو اليمين.

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

يُعدّ مُختزِل ثلاثي (2-كربوكسي إيثيل) فوسفين (TCEP) مفيدًا، فضلًا عن كونه عديم الرائحة مقارنةً بـ β-ME وDTT، لأنه انتقائي، ويعمل في كلٍّ من الظروف القلوية والحمضية (على عكس DTT)، كما أنه أكثر محبةً للماء وأكثر مقاومةً للأكسدة في الهواء. علاوةً على ذلك، غالبًا لا تكون هناك حاجة لإزالة TCEP قبل تعديل ثيولات البروتين. ^{[ 9 ]}

في عملية انشطار زينك، تقوم الهالوجينات بأكسدة ثنائي الكبريتيد إلى هاليد سلفينيل : ^{[ 10 ]}

ArSSAr + Cl ₂ → 2 ArSCl

وبشكل غير معتاد، فإن أكسدة ثنائي الكبريتيد تعطي أولاً ثيوسلفينات ثم ثيوسلفونات : ^{[ 11 ]}

RSSR + [ O] → RS(=O)SR

RS(=O)SR + [ O] → RS(=O) ₂ SR

تبادل الثيول-ثنائي الكبريتيد

في عملية تبادل الثيول-ثنائي الكبريتيد، ^تحل مجموعة الثيولات -S- محل ذرة كبريت واحدة في رابطة ثنائي الكبريتيد -S-S- . تنكسر رابطة ثنائي الكبريتيد الأصلية، وتتحرر ذرة الكبريت الأخرى على شكل ثيولات جديدة، حاملةً معها الشحنة السالبة. في الوقت نفسه، تتشكل رابطة ثنائي كبريتيد جديدة بين الثيولات المهاجمة وذرة الكبريت الأصلية. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تهاجم الثيولات، وليس الثيولات، روابط ثنائي الكبريتيد. لذا، يُثبَّط تبادل الثيول-ثنائي الكبريتيد عند درجة حموضة منخفضة (عادةً أقل من 8)، حيث يُفضَّل شكل الثيول المُبرتَن على شكل الثيولات غير المُبرتَن. (تبلغ قيمة pKa لمجموعة _الثيول النموذجية حوالي 8.3، ولكنها قد تختلف تبعًا لبيئتها). يُعد تبادل الثيول-ثنائي الكبريتيد عمليةً مهمةً لتكوين جسور ثنائي الكبريتيد الصحيحة في البروتينات، ولمنع السيستين من الأكسدة غير المرغوب فيها أثناء التجارب المخبرية.

CS ₂

MoS ₂

تعتبر مركبات الثيوسلفوكسيد متماثلة مع ثنائي الكبريتيد، حيث يتفرع الكبريت الثاني من الأول ولا يشارك في سلسلة متصلة، أي >S=S بدلاً من −S−S−.

تُسمى المركبات التي تحتوي على ثلاث ذرات كبريت، مثل CH3S _- S-SCH3 _{، بالمركبات ثلاثية الكبريتيد. وهناك أنواع أخرى ذات سلاسل أطول معروفة جيداً، وخاصة في الحلقات.}

Disulfide is also used to refer to compounds that contain two sulfide (S²⁻) centers. The compound carbon disulfide, CS₂ is described with the structural formula i.e. S=C=S. This molecule is not a disulfide in the sense that it lacks a S-S bond. Similarly, molybdenum disulfide, MoS₂, is not a disulfide in the sense again that its sulfur atoms are not linked.

Disulfide bonds are analogous but more common than related peroxide, thioselenide, and diselenide bonds. Intermediate compounds of these also exist, for example thioperoxides such as hydrogen thioperoxide, have the formula R¹OSR² (equivalently R²SOR¹). These are isomeric to sulfoxides in a similar manner to the above; i.e. >S=O rather than −S−O−.