תיופן

תִּיוֹפֶן הוא תרכובת הטרוציקלית שנוסחתה C4H4S. הוא מורכב מטבעת שטוחה בת חמישה איברים, כשה שלו הוא גופרית, והוא ארומטי כפי שמעידות תגובות ההתמרה הנרחבות שלו. הוא נוזל חסר צבע עם ריח דמוי בנזן. ברוב תגובותיו, הוא דומה לבנזן. תיופן ונגזרותיו נמצאים בנפט, לעיתים בריכוזים של עד 1-3%. תרכובות הדומות לתיופן כוללות את פוראן (C4H4O),  (C4H4Se) ופירול (C4H4NH), כשכל אחת מהן נבדלת מהאחרות על ידי ההטרואטום בטבעת שלה.

בידוד ושכיחות
תיופן התגלה על ידי  בשנת 1882 כמזהם בבנזן. נצפה כי  (סוג של אינדול) יוצר צבע כחול אם הוא מעורבב עם חומצה גופרתית ובנזן גולמי. היווצרות ה"אינדופנין" הכחול נחשבה במשך זמן רב כתגובה של הבנזן עצמו. ויקטור מאייר הצליח לבודד את התיופן כחומר האמיתי האחראי לתגובה זו. הוא קרא לתרכובת תיופן כהלחם בסיסים של שתי מילים ביוונית "תיון" (גופרית) ו"פאינו" (מבריק).

תיופן, ובמיוחד הנגזרות שלו, קיימים בנפט, לעיתים בריכוזים של עד 1%–3%. התכולה התיופנית של נפט ופחם מוסרת באמצעות תהליך ה (HDS).

על מאדים
נגזרות של תיופן זוהו ברמות ננו-מוליות במשקעי קרקע של מאדים בני 3.5 מיליארד שנה (תצורת מוריי, גבעות פאהרומפ) על ידי הרובר "קיוריוסיטי" במכתש גייל (של מאדים) בין השנים 2012 ל-2017.

סינתזה וייצור
בשל יציבותם הגבוהה, תיופנים נוצרים בתגובות רבות המערבות מקורות גופרית ופחמימנים, במיוחד בלתי רוויים. הסינתזה הראשונה של תיופן על ידי ויקטור מאייר, שדווחה באותה שנה שבה גילה אותו, מערבת אצטילן וגופרית. תיופנים מיוצרים באופן קלאסי באמצעות תגובה של 1,4-דיקטונים, דיאסטרים או דיקרבוקסילטים עם ריאגנטים סולפידיים כמו  (P4S10), כפי שנעשה ב" של תיופן". ניתן לסנתז תיופנים מיוחדים באופן דומה באמצעות  כחומר מסלפד, או באמצעות "", הכוללת דחיסה של שני אסטרים בנוכחות גופרית יסודית. שיטה נוספת היא "".

תיופן מיוצר בהיקף צנוע של כ-2,000 טון בשנה ברחבי העולם. הייצור כולל תגובה בפאזה גזית של מקור גופרית, בדרך כלל פחמן דו-גופרי, ומקור פחמני C-4, בדרך כלל בוטנול. ריאגנטים אלה מועברים במגע עם זרז תחמוצתי בטמפרטורה של 500–550 מעלות צלזיוס.

תכונות ומבנה
תיופן הוא נוזל חסר צבע בטמפרטורת החדר. התגובתיות הגבוהה של התיופן כלפי סולפונציה היא הבסיס להפרדתו מבנזן, מכיוון שקשה להפריד ביניהם באמצעות זיקוק בשל נקודות הרתיחה הדומות שלהן (הפרש של 4 מעלות צלזיוס בלחץ אטמוספירי). כמו בנזן, תיופן יוצר אזיאוטרופ עם אתנול.

המולקולה שטוחה; זווית הקשר בגופרית היא בסביבות °93 מעלות, זווית הקשר C–C–S היא בסביבות °109, ולשני אטומי הפחמן האחרים יש זווית קשר של כ-°114 מעלות. הקשרים C–C לאטומי הפחמן הסמוכים לגופרית הם באורך של כ-1.34 אנגסטרומים, אורך הקשר C–S הוא כ-1.70 אנגסטרומים, והקשר השני C–C הוא באורך של כ-1.41 אנגסטרומים.

תגובתיות
תיופן נחשב לארומטי, אם כי חישובים תאורטיים מצביעים על כך שמידת הארומטיות נמוכה מזו של בנזן. "זוגות האלקטרונים" על גופרית מפוזרים באופן משמעותי במערכת קשר פאי. כתוצאה מהארומטיות שלו, תיופן אינו מציג את התכונות הנראות בסולפידים קונבנציונליים. לדוגמה, אטום הגופרית מתנגד לאלקילציה ולחמצון.

חמצון
חמצון יכול להתרחש הן בגופרית, וליצור תיופן S-אוקסיד, והן בקשר הכפול 2,3, וליצור את תיופן 2,3-אפוקסיד, ואחריו סידור מחדש של . חמצון של תיופן על ידי  מדגים גם הוא את שני מסלולי התגובה. המסלול העיקרי יוצר את ה-S-אוקסיד כתוצר ביניים, אשר עובר דימריזציה מסוג תגובת דילס-אלדר וחמצון נוסף, ויוצר תערובת של תוצרי  ו בתשואה משולבת של 83% (על סמך עדויות מ־NMR):
מרכז|500px

במסלול התגובה המשני  מביאה להיווצרות של תיופן-2,3-אפוקסיד שמתארגן מחדש במהירות לאיזומר תיופן-2-1. ניסויי לכידה מדגימים כי מסלול זה אינו  מתוצר הביניים S-אוקסיד, בעוד ש עם דאוטריום מאשר כי מתרחש מעבר  ובכך שמעורב תוצר ביניים קטיוני. אם תערובת התגובה אינה נטולת מים, מסלול תגובה משני זה מדוכא מכיוון שמים פועלים כבסיס מתחרה.

חמצון של תיופנים עשוי להיות רלוונטי להפעלה המטבולית של תרופות שונות המכילות תיופן, כגון  והתרופה הניסיונית נגד סרטן OSI-930.

אלקילציה
אף על פי שאטום הגופרית יחסית אינו תגובתי, מרכזי הפחמן הסמוכים, במיקומים 2 ו-5, רגישים ביותר להתקפה על ידי אלקטרופילים. הלוגנים נותנים בתחילה נגזרות 2-הלו, ולאחריהן 2,5-די-הלו-תיופנים; סופר-הלוגנציה מתבצעת בקלות ונותנת C4X4S (כשערכו של X הוא CL, Br או I). תיופן עובר ברומינציה פי 107 מהר יותר מאשר בנזן. אצטילציה מתרחשת בקלות ונותנת 2-אצטיל-תיופן, קודם לחומצה תיופן-2-קרבוקסילית ולחומצה תיופן-2-אצטית.

כלורומתילציה וכלורואתילציה מתרחשות בקלות במיקומים 2 ו-5. חיזור התוצר הכלורומתילי נותן 2-מתיל-תיופן. הידרוליזה ואחריה יבוש של המין הכלורואתילי נותנת 2-ויניל-תיופן.

דסולפוריזציה
דסולפוריזציה של תיופן באמצעות רייני ניקל נותנת בוטאן. כשמשלבים זאת עם הדי-פונקציונליזציה הקלה של תיופן במיקומים 2 ו-5, הדסולפוריזציה מספקת נתיב לבוטאנים דו-מתמירים במיקומים 1,4.

מרכז|400px

פילמור
הפולימר הנוצר על ידי קישור של תיופן דרך מיקומיו 2,5 נקרא . הפילמור מבוצעת באמצעות חמצון בשיטות אלקטרוכימיות (פילמור חשמלי) או על ידי שימוש בריאגנטים להעברת אלקטרונים. מוצגת משוואה אידיאלית:
n C4H4S → (C4H2S)n + 2n H+ + 2n e−

לפוליתיופן עצמו יש תכונות עיבוד ירודות ולכן הוא נחקר מעט. שימושיים יותר הם פולימרים הנגזרים מתיופנים מותמרים במיקומים 3, ו-3 ו-4, כגון  (אתילן-דיאוקסי-תיופן). פוליתיופנים הופכים למוליכים חשמליים עם חמצון חלקי, כלומר, הם מקבלים חלק מהמאפיינים הנצפים בדרך כלל במתכות.

כימיה קואורדינטיבית
לתיופן יש מעט מאפיינים הדומים לסולפידים, אך הוא משמש כליגנד-פאי ויוצר "קומפלקסים של שרפרף פסנתר" (piano stool complexes), כגון: Cr(η5-C4H4S)(CO)3.

שימושים
תיופנים הם תרכובות הטרוציקליות חשובות המשמשות באופן נרחב כאבני בניין בכימיקלים לחקלאות ותרופות רבות. "אלו תרכובות יעילות להפליא הן מבחינת תפקידיהן הביולוגיים והן מבחינת תפקידיהן הפיזיולוגיים, כגון נוגדי דלקת, אנטי-פסיכוזה, נוגדי הפרעות קצב, נוגדי חרדה, נוגדי פטריות, נוגדי חמצון, מווסתים קולטני אסטרוגן, נוגדי מיטוזה, נוגדי מיקרוביאלים, מעכבי קינאז ונוגדי סרטן". דוגמאות כוללות את הלורנוקסיקאם האנטי-דלקתי שאינו סטרואידי, המקביל התיופני של פירוקסיקאם; , משכך כאבים אופיואידי חזק הקשור לפנטניל, מכיל טבעת תיופן, ו, תרופה נגד סרטן.

קישורים חיצוניים

ביאורים

הערות שוליים

קטגוריה:תרכובות ארומטיות