유기셀레늄 화학

유기셀레늄 화학(영어: Organoselenium chemistry)은 탄소와 셀레늄 간의 화학 결합을 포함하는 화합물인 유기셀레늄 화합물(영어: organoselenium compounds)의 특성과 반응성을 탐구하는 과학이다.^[1][2][3] 셀레늄은 산소 및 황과 함께 16족 원소 또는 칼코겐에 속하며, 화학적 유사성이 예상된다. 유기셀레늄 화합물은 주변 수역, 토양 및 퇴적물에서 미량으로 발견된다.^[4]

셀레늄은 −2, +2, +4, +6의 산화수를 가질 수 있다. 유기셀레늄 화학에서 Se(II)가 지배적인 형태이다. 16족 원소의 아래로 내려갈수록 결합 세기는 점점 약해지고 (C−Se 결합의 경우 234 kJ/mol, C−S 결합의 경우 272 kJ/mol), 결합 길이는 길어진다 (C−Se 198 pm, C−S 181 pm, C−O 141 pm). 셀레늄 화합물은 해당 황 화합물보다 더 친핵성이며 더 산성이다. XH
2의 pK_a 값은 산소의 경우 16, 황의 경우 7, 셀레늄의 경우 3.8이다. 설폭사이드와는 대조적으로, 해당하는 셀레녹사이드는 β-양성자가 존재할 때 불안정하며, 이 특성은 많은 셀레늄 유기 반응에서 활용되는데, 특히 셀레녹사이드 산화 및 셀레녹사이드 제거 반응에서 그러하다.

분리된 최초의 유기셀레늄 화합물은 1836년 다이에틸 셀레나이드였다.^[5][6]

구조적 분류

일부 유기셀레늄 화합물의 구조

• 셀레놀 (R−SeH)은 알코올 및 싸이올의 셀레늄 동족체이다. 이 화합물들은 비교적 불안정하며 일반적으로 불쾌한 냄새를 풍긴다. 벤젠셀레놀 (또는 셀레노페놀 또는 PhSeH)은 싸이오페놀 (pK_a 6.5)보다 더 산성 (pK_a 5.9)이며 더 쉽게 다이셀레나이드로 산화된다. 셀레노페놀은 다이페닐다이셀레나이드의 환원을 통해 준비된다.^[7]
• 다이셀레나이드 (R−Se−Se−R)는 과산화물 및 이황화물의 셀레늄 동족체이다. 이들은 셀레놀 및 셀라닐 할라이드와 같은 더 반응성이 높은 유기셀레늄 시약의 유용한 보관 안정성이 있는 전구체이다. 유기화학에서 가장 잘 알려진 것은 페닐마그네슘 브로마이드와 셀레늄 반응 후 생성물인 PhSeMgBr의 산화를 통해 제조되는 다이페닐다이셀레나이드이다.^[8]
• 셀라닐 할라이드 (R−Se−Cl, R−Se−Br)는 다이셀레나이드의 할로겐화를 통해 제조된다. 다이페닐다이셀레나이드의 브로민화는 페닐셀라닐 브로마이드 (PhSeBr)를 생성한다. 이 화합물들은 "PhSe+
  "의 공급원이다.
• 셀레나이드 (R−Se−R), 또는 셀레노에터라고도 불리며, 에터 및 황화물의 셀레늄 동족체이다. 한 예로 다이메틸셀레나이드 ((CH
  3)
  2Se)가 있다. 이들은 가장 널리 퍼진 유기셀레늄 화합물이다. 대칭 셀레나이드는 보통 알칼리 금속 셀레나이드 염, 예컨대 셀레늄화 나트륨의 알킬화를 통해 제조된다. 비대칭 셀레나이드는 셀레노에이트의 알킬화를 통해 제조된다. 이 화합물들은 일반적으로 친핵체로 반응하며, 예를 들어 알킬 할라이드 (R'−X)와 반응하여 셀레늄 염 [RR'R"Se]+
  X−
  를 생성한다. 2가 셀레늄은 또한 부드러운 헤테로원자와 상호작용하여 과가성 셀레늄 중심을 형성할 수 있다.^[6] 또한 특정 상황에서는 친전자체로 반응하며, 예를 들어 유기리튬 시약 (R'Li)과 반응하여 에이트 착물 R'RRSe−
  Li+
  를 형성한다.
• 셀레녹사이드 (R−Se(=O)−R)는 설폭사이드의 셀레늄 동족체이다. 대부분은 불안정하여 셀레녹사이드 제거 반응을 겪지만, 개념적으로는 설폰의 셀레늄 유사체인 셀레논 R−Se(=O)
  2−R으로 산화될 수 있다.
• 셀렌산 (R−Se−OH)은 셀레놀 산화의 중간체이다. 이들은 글루타티온 과산화효소와 같은 일부 셀레노효소에서 발생한다.
• 셀렌산 (R−Se(=O)−OH)은 설핀산의 유사체이다.
• 셀렌산 (R−Se(=O)
  2−OH)은 설폰산의 유사체이다.
• 과셀렌산 (R−Se(=O)−OOH)은 에폭시화 반응 및 바이어-빌리거 산화 반응을 촉매한다.
• 셀레뉴란은 초원자가 유기셀레늄 화합물로, 형식적으로 SeCl
  4와 같은 사할라이드에서 파생된다. 예를 들어 Ar−SeCl
  3 형태가 있다.^[9] 염화물은 셀렌산 염화물의 염소화를 통해 얻어진다.
• 셀레니란은 3원환 화합물 (모체 화합물은 셀레니란 또는 셀레나사이클로부탄 C
  2H
  4Se)이며 티이렌과 관련이 있지만, 티이렌과 달리 셀레니란은 운동학적으로 불안정하여 셀레늄을 직접 (산화 없이) 제거하여 알켄을 형성한다. 이 특성은 유기 합성 화학에서 활용되어 왔다.^[10]
• 셀론 (R
  2C=Se)은 케톤의 셀레늄 유사체이다. 이들은 올리고머화되는 경향 때문에 드물다.^[11] 다이셀레노벤조퀴논은 금속 착물 형태로 안정하다.^[12] 셀레노요소는 (형식적) C=Se 결합을 포함하는 안정된 화합물의 예이다.
• 싸이오셀레나이드 (R−Se−S−R), 즉 셀레늄(II)-황(II) 결합을 가진 화합물로, 이황화물과 유사하다. 마찬가지로 셀렌아마이드는 R–Se–NR₂ 형태를 가진다.^[13]

자연에서

 이 부분의 본문은 생물학의 셀레늄입니다.

유기셀레늄 화합물 형태의 셀레늄은 필수 미량 영양소로, 식단에서 부족하면 심장 근육 및 골격 기능 장애를 유발한다. 유기셀레늄 화합물은 산화 손상에 대한 세포 방어 및 면역 체계의 올바른 기능에 필요하다. 또한 조기 노화 및 암 예방에도 역할을 할 수 있다. 생합성에 사용되는 Se의 공급원은 셀레노인산이다.

글루타티온 산화효소는 활성 부위에 셀레놀을 포함하는 효소이다. 유기셀레늄 화합물은 고등 식물에서 발견되었다. 예를 들어, 고성능 액체 크로마토그래피와 유도 결합 플라즈마 질량 분석기 (HPLC-ICP-MS)를 결합한 기술을 사용하여 마늘을 분석한 결과, γ-글루타밀-Se-메틸셀레노시스테인이 주요 Se 함유 성분이며, 소량의 Se-메틸셀레노시스테인도 함께 발견되었다. 생마늘을 섭취한 후 사람의 호흡에서 미량의 다이메틸 셀레나이드와 알릴 메틸 셀레나이드가 발견된다.^[14]

셀레노시스테인 및 셀레노메티오닌

스물한 번째 아미노산이라고 불리는 셀레노시스테인은 일부 유기체에서 리보솜 지향 단백질 합성에 필수적이다.^[15] 현재 25개 이상의 셀레늄 함유 단백질 (셀레노단백질)이 알려져 있다.^[16] 대부분의 셀레늄 의존성 효소는 시스테인 유사체이지만 황 대신 셀레늄을 포함하는 셀레노시스테인을 포함한다. 이 아미노산은 DNA에 의해 특별한 방식으로 부호화된다. 셀레노황화물도 생화학적 중간체로 제안된다.

셀레노메티오닌은 자연적으로 발생하는 셀레나이드를 함유한 아미노산이지만, 전사 후 변형에 의해 생성된다.

유기 합성에서

유기셀레늄 화합물은 유기 합성에서 유용하지만 특화된 시약 그룹이지만, 규제 문제로 인해 의약품에 유용한 공정에서는 일반적으로 제외된다. 이들의 유용성은 다음과 같은 특정 속성에 달려 있다.

• C−Se 결합의 약함 및
• 2가 셀레늄 화합물의 쉬운 산화.

이론적인 생산과는 달리, 셀레늄은 상응하는 황 화합물보다 이웃 탄소 음이온을 약간 덜 안정화시킨다. 더욱이, 셀레늄은 매우 친핵성이 강하여 많은 셀레노에터 음이온에서 알킬 할라이드가 셀레늄을 우선적으로 알킬화하며, 그 후에 할라이드가 생성된 일라이드를 친핵성 치환으로 분해한다. 그럼에도 불구하고, 프로파르길 셀레노에터 음이온은 탈셀레늄화 없이 알킬화된 후 α-셀레노에논으로 산화된다.^[17]

가열된 1-셀레나-2,3-다이아졸은 상응하는 알카인으로 분해된다.^[18]

비닐 셀레나이드

비닐 셀레나이드는 유기 합성, 특히 기능화된 알켄에 대한 편리한 입체선택적 경로 개발에서 중요한 역할을 하는 유기셀레늄 화합물이다.^[19] 비닐 셀레나이드 제조를 위한 다양한 방법이 언급되지만, 더 유용한 절차는 말단 또는 내부 알카인에 대한 친핵성 또는 친전자성 유기셀레늄 첨가에 중점을 둔다.^{[20][21][22][23]} 예를 들어, 셀레노페놀의 알카인에 대한 친핵성 첨가는 실온에서 더 긴 반응 시간 후에 Z-비닐 셀레나이드를 우선적으로 제공한다. 반응은 고온에서 더 빠르지만, Z- 및 E-비닐 셀레나이드의 혼합물은 거의 1:1 비율로 얻어졌다.^[24] 반면에, 생성물은 삼중 결합의 치환기의 성격에 따라 달라진다. 반대로, 비닐 셀레나이드는 팔라듐 촉매 하이드로셀레늄화 반응으로 알카인으로부터 마르코프니코프 첨가물을 좋은 수율로 얻을 수 있다. 위에 설명된 비닐 셀레나이드 제조 방법론과 관련된 몇 가지 한계가 있다. 이 방법들은 다이오르가노일 다이셀레나이드 또는 셀레노페놀을 휘발성 및 불안정하며 불쾌한 냄새를 풍기는 출발 물질로 사용한다. 또한, 이 화합물들의 제조는 복잡하다.

셀레녹사이드 산화

 이 부분의 본문은 라일리 산화입니다.

이산화 셀레늄은 유기 산화에 유용하다. 특히, SeO
2는 알릴 메틸렌기를 해당하는 알코올로 전환시킨다. 다른 여러 시약들도 이 반응을 유발한다.

그림 1. 이산화 셀레늄 산화

반응 과정 측면에서, SeO
2와 알릴기 기질은 C−H 결합을 활성화하는 엔 반응으로 시작하는 고리 협동 반응을 통해 반응한다. 두 번째 단계는 [2,3] 시그마트로피 반응이다. 이산화 셀레늄을 포함하는 산화 반응은 종종 촉매량의 셀레늄 화합물과 과산화 수소와 같은 희생 촉매 또는 보조 산화제의 존재 하에 수행된다.

SeO
2 기반 산화는 때때로 케톤과 같은 카르보닐 화합물을 생성한다.^[25] β-피넨^[26] 및 시클로헥사논의 1,2-시클로헥산다이온으로의 산화도 마찬가지이다.^[27] α-메틸렌기를 가진 케톤의 산화는 다이케톤을 생성한다. 이 유형의 셀레늄 산화물과의 산화는 라일리 산화라고 불린다.^[28]

아자 유사체는 해당하는 위치에 알코올 대신 아마이드를 부착한다 (Ts=토실):^[29]

Se(NTs)₂ + RCH=CHCH₃ → Se + RCH=CHCH₂NTs

셀레녹사이드 제거

 이 부분의 본문은 셀레녹사이드 제거 반응입니다.

β-수소가 존재할 때, 셀레나이드는 산화 후 제거 반응을 일으켜 알켄과 SeO-셀레노페록솔을 남긴다. SeO-셀레노페록솔은 반응성이 매우 높아 그대로 분리되지 않는다. 제거 반응에서 참여하는 5개의 반응 중심은 모두 평면에 존재하며, 따라서 반응의 입체화학은 신이다. 사용되는 산화제는 과산화 수소, 오존 또는 MCPBA이다. 이 반응 유형은 종종 케톤과 함께 사용되어 에논을 생성한다. 한 예로 벤젠셀레닐클로라이드와 수소화 나트륨을 이용한 아세틸시클로헥사논 제거 반응이 있다.^[30]

그림 2. 카르보닐 화합물의 셀레녹사이드 제거

그리에코 제거 반응은 o-나이트로페닐셀레노사이아네이트와 트라이뷰틸포스핀을 사용하여 H
2O의 원소를 제거하는 유사한 셀레녹사이드 제거 반응이다.