Tiol - Thiol

Tiol z   podświetlona na niebiesko grupa sulfhydrylowa.

Tiol ( / θ ɒ l / ) i pochodna tiolowa jakikolwiek związki siarkoorganiczne mającego postać R-SH, w którym R oznacza grupę alkilową lub inne organiczne podstawniki . -SH grupa funkcyjna jest sam dalej albo grupę tiolową lub grupę tiolową , lub grupę sulfanylową . Tiole są siarkowym odpowiednikiem alkoholi (czyli siarka zastępuje tlen w grupie hydroksylowej alkoholu), a słowo to jest mieszanką „tio-” z „alkoholem”, gdzie pierwsze słowo pochodzi z greckiego θεῖον ( theion ) oznacza "siarka".

Wiele tioli ma silny zapach przypominający zapach czosnku lub zgniłych jaj. Tiole są używane jako środki zapachowe, aby pomóc w wykrywaniu gazu ziemnego (który w czystej postaci jest bezwonny), a „zapach gazu ziemnego” jest spowodowany zapachem tiolu użytego jako środek zapachowy. Tiole są czasami określane jako merkaptany . Określenie „merkaptan” / m ər K ® P t ć n / wprowadzono w 1832 roku przez William Christopher Zeise i pochodzi od łacińskiego captāns mercurio (rtęć przechwytywania), ponieważ tiolanowego grupy (RS - ) wiązania bardzo silnie z rtęci związkami .

Struktura i klejenie

Tiole o budowie R-SH określane są jako alkanotiole lub alkilotiole, w których grupa alkilowa (R) jest przyłączona do grupy sulfhydrylowej (SH). Tiole i alkohole mają podobną łączność. Ponieważ atomy siarki są większe niż atomy tlenu, długości wiązań C−S – zwykle około 180 pikometrów – są o około 40 pikometrów dłuższe niż typowe wiązanie C−O. Kąty C-S-H zbliżają się do 90°, podczas gdy kąt dla grupy C-O-H jest bardziej rozwarty. W ciele stałym lub ciekłym wiązanie wodorowe między poszczególnymi grupami tiolowymi jest słabe, a główną siłą spójności są interakcje Van der Waalsa między wysoce polaryzowalnymi dwuwartościowymi centrami siarki.

Wiązanie S-H jest znacznie słabsze niż wiązanie O-H, co odzwierciedla ich odpowiednia energia dysocjacji wiązania (BDE). Dla CH 3 S-H BDE wynosi 366 kJ/mol (87 kcal/mol), podczas gdy dla CH 3 O-H BDE wynosi 440 kJ/mol (110 kcal/mol).

Ze względu na niewielką różnicę elektroujemności siarki i wodoru, wiązanie S-H jest umiarkowanie polarne . Natomiast wiązania O-H w grupach hydroksylowych są bardziej polarne. Tiole mają niższy moment dipolowy w stosunku do odpowiadających im alkoholi.

Nomenklatura

Istnieje kilka sposobów na nazwanie alkilotioli:

  • Do nazwy alkanu dodaje się przyrostek -tiol . Ta metoda jest prawie identyczna z nazywaniem alkoholu i jest stosowana przez IUPAC , np. CH 3 SH to metanotiol .
  • Słowo merkaptan zastępuje alkohol w nazwie równoważnego związku alkoholowego. Przykład: CH 3 SH byłby merkaptanem metylowym, tak jak CH 3 OH nazywany jest alkoholem metylowym.
  • Termin sulfhydryl- lub merkapto- jest używany jako przedrostek, np . merkaptopuryna .

Właściwości fizyczne

Zapach

Wiele tioli ma silny zapach przypominający zapach czosnku . Zapachy tioli, zwłaszcza o niskiej masie cząsteczkowej, są często silne i odpychające. Strumień skunków składa się głównie z tioli o niskiej masie cząsteczkowej i pochodnych. Związki te są wykrywalne przez ludzki nos w stężeniu zaledwie 10 części na miliard. Ludzki pot zawiera ( R )/( S )-3-metylo-3-merkapto-1-ol (MSH), wykrywalny w ilości 2 części na miliard i ma owocowy zapach przypominający cebulę . (Metylotio)metanotiol (MeSCH 2 SH; MTMT) jest lotnym tiolem o silnym zapachu, wykrywalnym również na poziomie części na miliard, znajdującym się w moczu samców myszy . Lawrence C. Katz i współpracownicy wykazali, że MTMT działa jako środek semiochemiczny , aktywując pewne neurony czuciowe węchowe myszy i przyciągając samice myszy . Wykazano, że miedź jest wymagana przez specyficzny mysi receptor węchowy, MOR244-3, który jest wysoce wrażliwy na MTMT, jak również na różne inne tiole i związki pokrewne. Zidentyfikowano ludzki receptor węchowy OR2T11 , który w obecności miedzi jest wysoce wrażliwy na zapachowe substancje zapachowe (patrz poniżej) etanotiol i merkaptan t -butylu, a także inne tiole o niskiej masie cząsteczkowej, w tym merkaptan allilowy występujący u ludzi. oddech czosnku i silnie pachnący cykliczny siarczek tietanu .

Tiole są również odpowiedzialne za szereg wad wina spowodowanych niezamierzoną reakcją między siarką a drożdżami oraz „skunkowym” zapachem piwa wystawionego na działanie światła ultrafioletowego.

Nie wszystkie tiole mają nieprzyjemny zapach. Na przykład furan-2-ylometanotiol przyczynia się do aromatu palonej kawy , a merkaptan grejpfrutowy , tiol monoterpenoidowy , odpowiada za charakterystyczny zapach grejpfruta . Działanie tego ostatniego związku występuje tylko w niskich stężeniach. Czysty merkaptan ma nieprzyjemny zapach.

Dystrybutorzy gazu ziemnego musieli dodawać tiole, pierwotnie etanotiol , do gazu ziemnego (który jest naturalnie bezwonny) po śmiercionośnej eksplozji New London School w New London w Teksasie w 1937 roku. Wielu dystrybutorów gazu nawaniało gaz przed tym wydarzeniem. Większość stosowanych obecnie odorantów gazowych zawiera mieszaniny merkaptanów i siarczków, z merkaptanem t -butylowym jako głównym składnikiem zapachowym w gazie ziemnym i etanotiolem w skroplonym gazie naftowym (LPG, propan). W sytuacjach, w których tiole są stosowane w przemyśle komercyjnym, takim jak cysterny z płynną ropą naftową i systemy transportu masowego, do niszczenia zapachu stosuje się katalizator utleniający . Katalizator utleniający na bazie miedzi neutralizuje lotne tiole i przekształca je w produkty obojętne.

Temperatura wrzenia i rozpuszczalność

Tiole wykazują niewielki związek przez wiązania wodorowe , zarówno z cząsteczkami wody, jak i między sobą. W związku z tym mają niższą temperaturę wrzenia i są mniej rozpuszczalne w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych niż alkohole o podobnej masie cząsteczkowej. Również z tego powodu tiole i odpowiadające im izomery siarczkowych grup funkcyjnych mają podobne właściwości rozpuszczalności i temperatury wrzenia, podczas gdy nie dotyczy to alkoholi i ich odpowiednich eterów izomerycznych.

Klejenie

Wiązanie S-H w tiolach jest słabe w porównaniu z wiązaniem O-H w alkoholach. Dla CH 3 X-H entalpie wiązania wynoszą365,07 ± 2,1 kcal/mol dla X = S i440,2 ± 3,0 kcal/mol dla X = O. Po oderwaniu atomu wodoru z tiolu otrzymuje się rodnik tiylowy o wzorze RS , gdzie R = alkil lub aryl.

Charakteryzacja

Lotne tiole są łatwo i prawie bezbłędnie wykrywane dzięki ich charakterystycznemu zapachowi. Przydatne są analizatory specyficzne dla siarki do chromatografów gazowych . Wskaźniki spektroskopowe są D 2 O -exchangeable S H sygnał w 1 Widmo 'H NMR ( 33 S ma NMR -Active ale sygnały dwuwartościowej siarki są bardzo szerokie i mało Utility). Pasmo ν SH pojawia się w pobliżu 2400 cm- 1 w widmie IR . W reakcji nitroprusydku wolne grupy tiolowe reagują z nitroprusydkiem sodu i wodorotlenkiem amonu dając czerwony kolor.

Przygotowanie

W przemyśle metanotiol wytwarza się w reakcji siarkowodoru z metanolem . Metoda ta jest stosowana do przemysłowej syntezy metanotiolu :

CH 3 OH + H 2 S → CH 3 SH + H 2 O

Takie reakcje prowadzi się w obecności katalizatorów kwasowych. Inna główna droga do tioli obejmuje dodanie siarkowodoru do alkenów . Takie reakcje są zwykle prowadzone w obecności katalizatora kwasowego lub światła UV. Wykorzystano również wypieranie halogenku , stosując odpowiedni halogenek organiczny i siarkowodór sodu.

Inna metoda obejmuje alkilowanie wodorosiarczku sodu .

RX + NaSH → RSH + NaX  (X = Cl, Br, I)

Metoda ta służy do produkcji kwasu tioglikolowego z kwasu chlorooctowego .

Metody laboratoryjne

Na ogół, w typowych warunkach laboratoryjnych, bezpośrednia reakcja fluorowcoalkanem z wodorosiarczku sodu jest w skuteczny ze względu na konkurencyjną utworzeniem siarczków. Zamiast tego halogenki alkilowe są przekształcane w tiole poprzez S- alkilowanie tiomocznika . Ten wieloetapowy, jednonaczyniowy proces przebiega za pośrednictwem soli izotiouroniowej , która jest hydrolizowana w oddzielnym etapie:

CH 3 CH 2 Br + SC(NH 2 ) 2 → [CH 3 CH 2 SC(NH 2 ) 2 ]Br
[CH 3 CH 2 SC(NH 2 ) 2 ]Br + NaOH → CH 3 CH 2 SH + OC(NH 2 ) 2 + NaBr

Szlak tiomocznikowy działa dobrze z halogenkami pierwotnymi, zwłaszcza aktywowanymi. Tiole drugorzędowe i trzeciorzędowe są trudniejsze do przygotowania. Tiole drugorzędowe można wytworzyć z ketonu poprzez odpowiednie ditioketale . Pokrewny dwuetapowy proces obejmuje alkilowanie tiosiarczanu z wytworzeniem tiosulfonianu („ sól Bunte ”), a następnie hydrolizę. Metodę ilustruje jedna synteza kwasu tioglikolowego :

ClCH 2 CO 2 H + Na 2 S 2 O 3 → Na[O 3 S 2 CH 2 CO 2 H] + NaCl
Na[O 3 S 2 CH 2 CO 2 H] + H 2 O → HSCH 2 CO 2 H + NaHSO 4

Związki litoorganiczne i odczynniki Grignarda reagują z siarką, dając tiolany, które łatwo hydrolizują:

RLi + S → RSLi
RSLi + HCl → RSH + LiCl

Fenole można przekształcić w tiofenole poprzez przegrupowanie ich O- arylu dialkilotiokarbaminianów.

Tiole wytwarza się przez redukcyjną dealkilację siarczków, zwłaszcza pochodnych benzylowych i tioacetali.

Tiofenole są wytwarzane przez S. -arylation lub wymiany diazoniowej grupę opuszczającą, ze tiolową anionu (SH - )

ArN+
2
+ SH → ArSH + N 2

Reakcje

Podobnie jak w chemii alkoholi, tiole tworzą siarczki , tioacetale i tioestry , które są analogiczne do odpowiednio eterów , acetali i estrów . Tiole i alkohole są również bardzo różne pod względem reaktywności, tiole łatwiej utleniają się niż alkohole. Tiolany są silniejszymi nukleofilami niż odpowiednie alkoholany .

S -Alkilacja

Tiole, a dokładniej ich sprzężone zasady, są łatwo alkilowane z wytworzeniem siarczków:

RSH + R′Br + B → RSR′ + [HB]Br  (B = zasada)

Kwasowość

Tiole łatwo ulegają deprotonowaniu. W stosunku do alkoholi tiole są bardziej kwaśne. Sprzężona zasada tiolu nazywana jest tiolanem . Butanotiol ma p K A 10,5 vs 15 dla butanolu. Tiofenolu ma p K A 6, w porównaniu z 10 do fenolu . Silnie kwaśne tiol pentafluorothiophenol (C 6 C 5 SH) z AP K a o 2.68. Tak więc tiolany można otrzymać z tioli przez działanie wodorotlenkami metali alkalicznych.

Synteza tiofenolanu z tiofenolu

Redox

Tiole, zwłaszcza w obecności zasady, łatwo utleniają się odczynnikami, takimi jak brom i jod, dając organiczny dwusiarczek (R-S-S-R).

2 R -SH + Br 2 → R-S-S-R + 2 HBr

Utlenianie silniejszymi odczynnikami, takimi jak podchloryn sodu lub nadtlenek wodoru, może również dać kwasy sulfonowe (RSO 3 H).

R−SH + 3 H 2 O 2 → RSO 3 H + 3 H 2 O

Utlenianie można również przeprowadzić tlenem w obecności katalizatorów:

2 R–SH + 12  O 2 → RS−SR + H 2 O

Tiole uczestniczą w wymianie tiolowo-dwusiarczkowej:

RS−SR + 2 R′SH → 2 RSH + R′S−SR′

Ta reakcja jest ważna z natury.

Kompleksowanie jonów metali

W przypadku jonów metali tiolany zachowują się jak ligandy, tworząc kompleksy tiolanowe metali przejściowych . Termin merkaptan pochodzi od łacińskich captanów rtęci (wychwytujących rtęć), ponieważ grupa tiolanowa wiąże się tak silnie ze związkami rtęci . Zgodnie z teorią twardego/miękkiego kwasu/zasady (HSAB) siarka jest stosunkowo miękkim (polaryzowalnym) atomem. Wyjaśnia to tendencję tioli do wiązania się z miękkimi pierwiastkami i jonami, takimi jak rtęć, ołów czy kadm. Stabilność tiolanów metali jest zbliżona do stabilności odpowiednich minerałów siarczkowych.

Tioksantyany

Tiolany reagują z dwusiarczkiem węgla, dając tioksantian ( RSCS
2
).

rodniki tiylowe

Wolne rodniki pochodzące od merkaptanów, zwane rodnikami tiylowymi , są powszechnie przywoływane w celu wyjaśnienia reakcji w chemii organicznej i biochemii . Mają wzór RS gdzie R oznacza podstawnik organiczny, taki jak alkil lub aryl . Powstają one lub mogą być generowane przez wiele dróg, ale główną metodą jest pozyskiwanie atomów H z tioli. Inna metoda obejmuje homolizę dwusiarczków organicznych. W biologii rodniki tiylowe są odpowiedzialne za tworzenie kwasów dezoksyrybonukleinowych, budulców DNA . Ta konwersja jest katalizowana przez reduktazę rybonukleotydową (patrz rysunek). Półprodukty tiylowe są również wytwarzane przez utlenianie glutationu , przeciwutleniacza w biologii. Rodniki tiylowe (z centrum siarki) mogą przekształcić się w rodniki z centrum węgla poprzez równowagę wymiany atomów wodoru . Powstawanie rodników z centrum węgla może prowadzić do uszkodzenia białek poprzez tworzenie wiązań C- C lub fragmentację szkieletu.

Ze względu na osłabienie wiązania S-H, tiole może funkcjonować jako wymiatacze z wolnymi rodnikami .

Znaczenie biologiczne

Cykl katalityczny reduktazy rybonukleotydowej , wykazujący rolę rodników tiylowych w wytwarzaniu genetycznej maszynerii życia.

Cysteina i cystyna

Jako grupa funkcyjna aminokwasu cysteiny , grupa tiolowa odgrywa bardzo ważną rolę w biologii. Gdy grupy tiolowe dwóch reszt cysteinowych (jak w monomerach lub jednostkach składowych) zbliżają się do siebie w trakcie fałdowania białka , reakcja utleniania może wygenerować jednostkę cystynową z wiązaniem dwusiarczkowym (-S-S-). Wiązania dwusiarczkowe mogą przyczyniać się do struktury trzeciorzędowej białka, jeśli cysteiny są częścią tego samego łańcucha peptydowego , lub przyczyniać się do struktury czwartorzędowej białek wielojednostkowych poprzez tworzenie dość silnych wiązań kowalencyjnych między różnymi łańcuchami peptydowymi. Fizyczną manifestację równowagi cysteinowo-cystynowej zapewniają technologie prostowania włosów .

Grupy tiolowe w aktywnym miejscu wystąpienia enzym mogą stanowić niekowalencyjnych wiązań z enzymem w podłożu , jak również, co przyczynia się do kowalencyjny aktywność katalityczną w triady katalitycznej . Reszty cysteinowe w miejscu aktywnym są jednostką funkcjonalną w triadach katalitycznych proteazy cysteinowej . Resztki cysteiny mogą również reagować z jonami metali ciężkich (Zn 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ , Hg 2+ , Ag + ) ze względu na wysokie powinowactwo między miękkim siarczkiem a miękkim metalem (patrz twarde i miękkie kwasy i zasady ). Może to deformować i dezaktywować białko i jest jednym z mechanizmów zatrucia metalami ciężkimi .

Leki zawierające grupę tiolową 6-merkaptopuryna (przeciwnowotworowa) Kaptopryl (przeciwnadciśnieniowy) D-penicylamina (przeciwartretyczny) Aurotiolan sodu (przeciwartretyczny)

Kofaktory

Wiele kofaktorów (cząsteczek pomocniczych nie opartych na białkach) zawiera tiole. Biosynteza i degradacja kwasów tłuszczowych i pokrewnych długołańcuchowych węglowodorów odbywa się na rusztowaniu, które zakotwicza rosnący łańcuch poprzez tioester pochodzący z tiolowego koenzymu A . Biosyntezy z metanu , głównego węglowodoru na Ziemi, powstaje w reakcji, w których pośredniczy koenzymu M , 2-merkaptoetylem kwasu sulfonowego. Tiolany, skoniugowane zasady pochodzące od tioli, tworzą silne kompleksy z wieloma jonami metali, zwłaszcza tych sklasyfikowanych jako miękkie. Stabilność tiolanów metali jest zbliżona do stabilności odpowiednich minerałów siarczkowych.

U skunków

Defensywny spray skunksów składa się głównie z niskocząsteczkowych tioli i pochodnych o nieprzyjemnym zapachu, który chroni skunksa przed drapieżnikami. Sowy mogą polować na skunksy, ponieważ brakuje im węchu.

Przykłady tioli

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki