Tiol

Ladrón con un azul destacado grupo sulfhydryl.

En química orgánica, un tiol (del griego antiguo θεῖον (theion) 'azufre'), o derivado de tiol, es cualquier compuesto organosulfurado de la forma R−SH, donde R representa un alquilo u otro sustituyente orgánico. El grupo funcional −SH en sí mismo se conoce como un grupo tiol o un grupo sulfhidrilo, o un grupo sulfanilo. Los tioles son el análogo de azufre de los alcoholes (es decir, el azufre ocupa el lugar del oxígeno en el grupo hidroxilo (−OH) de un alcohol), y la palabra es una mezcla de "tio-" con "alcohol".

Muchos tioles tienen olores fuertes que se asemejan al ajo oa los huevos podridos. Los tioles se utilizan como odorantes para ayudar en la detección de gas natural (que en forma pura es inodoro) y el "olor a gas natural" se debe al olor del tiol utilizado como odorante. Los tioles a veces se denominan mercaptanos () o compuestos de mercapto, un término introducido en 1832 por William Christopher Zeise y que se deriva del latín mercurio captāns ('capturar mercurio') porque el grupo tiolato (RS⁻) se une muy fuertemente a los compuestos de mercurio.

Estructura y unión

Los tioles de la estructura R-SH se denominan alcanotioles o alquiltioles, en los que un grupo alquilo (R) está unido a un grupo sulfhidrilo (SH). Los tioles y los alcoholes tienen una conectividad similar. Debido a que los átomos de azufre son más grandes que los átomos de oxígeno, las longitudes de los enlaces C-S, típicamente alrededor de 180 picómetros de longitud, son aproximadamente 40 picómetros más largas que un enlace C-O típico. Los ángulos C−S−H se acercan a 90° mientras que el ángulo para el grupo C−O−H es más obtuso. En los sólidos o líquidos, el enlace de hidrógeno entre los grupos tiol individuales es débil, siendo la principal fuerza cohesiva las interacciones de Van der Waals entre los centros de azufre divalente altamente polarizables.

El enlace S−H es mucho más débil que el enlace O−H, como se refleja en su respectiva energía de disociación de enlace (BDE). Para CH₃S−H, el BDE es 366 kJ/mol (87 kcal/mol), mientras que para CH₃O−H, el BDE es 440 kJ/mol (110 kcal/mol).

Debido a la pequeña diferencia en la electronegatividad del azufre y el hidrógeno, un enlace S−H es moderadamente polar. Por el contrario, los enlaces O-H en los grupos hidroxilo son más polares. Los tioles tienen un momento dipolar más bajo en relación con sus alcoholes correspondientes.

Nomenclatura

Hay varias formas de nombrar los alquiltioles:

• El sufijo -thiol se añade al nombre de la alcana. Este método es casi idéntico al nombrar un alcohol y es utilizado por el IUPAC, por ejemplo. CH₃SH metanol.
• La palabra mercaptan reemplazantes alcohol en nombre del compuesto equivalente de alcohol. Ejemplo: CH₃SH sería metilmercaptan, igual que CH₃Oh se llama alcohol metil.
• El término Sulfhydryl... o mercapto- se utiliza como prefijo, por ejemplo mercaptopurina.

Propiedades físicas

Olor

Muchos tioles tienen un olor fuerte parecido al del ajo. Los olores de los tioles, particularmente los de bajo peso molecular, suelen ser fuertes y repulsivos. El spray de mofetas se compone principalmente de tioles de bajo peso molecular y derivados. Estos compuestos son detectables por el olfato humano en concentraciones de solo 10 partes por billón. El sudor humano contiene (R)/(S)-3-metil-3-mercapto-1-ol (MSH), detectable a 2 partes por billón y con un sabor afrutado, olor a cebolla. El (metiltio)metanotiol (MeSCH₂SH; MTMT) es un tiol volátil de olor fuerte, también detectable en niveles de partes por mil millones, que se encuentra en la orina de ratones machos. Lawrence C. Katz y sus colaboradores demostraron que la MTMT funcionaba como un semioquímico, activando ciertas neuronas sensoriales olfativas de los ratones y atrayendo a las hembras. Se ha demostrado que el cobre es requerido por un receptor olfativo de ratón específico, MOR244-3, que es altamente sensible a MTMT, así como a varios otros tioles y compuestos relacionados. Se identificó un receptor olfativo humano, OR2T11, que, en presencia de cobre, es altamente sensible a los odorantes gaseosos (ver a continuación) etanotiol y t-butil mercaptano, así como a otros tioles de bajo peso molecular, incluido el alil mercaptano que se encuentra en humanos. aliento de ajo y el sulfuro cíclico de fuerte olor tietano.

Los tioles también son responsables de una clase de defectos en el vino causados por una reacción no deseada entre el azufre y la levadura y el "skunky" olor a cerveza que ha estado expuesta a la luz ultravioleta.

No todos los tioles tienen olores desagradables. Por ejemplo, el furan-2-ilmetanotiol contribuye al aroma del café tostado, mientras que el mercaptano de pomelo, un tiol monoterpenoide, es responsable del aroma característico del pomelo. El efecto de este último compuesto está presente solo a bajas concentraciones. El mercaptano puro tiene un olor desagradable.

En los Estados Unidos, se exigió a los distribuidores de gas natural que agregaran tioles, originalmente etanotiol, al gas natural (que naturalmente es inodoro) después de la explosión mortal de New London School en New London, Texas, en 1937. Muchos distribuidores de gas estaban odorizando gas antes de este evento. La mayoría de los odorizantes de gas que se utilizan actualmente contienen mezclas de mercaptanos y sulfuros, con t-butil mercaptano como principal constituyente del olor en el gas natural y etanotiol en el gas licuado de petróleo (LPG, propano). En situaciones en las que se utilizan tioles en la industria comercial, como camiones cisterna de gas licuado de petróleo y sistemas de manipulación a granel, se utiliza un catalizador oxidante para destruir el olor. Un catalizador de oxidación a base de cobre neutraliza los tioles volátiles y los transforma en productos inertes.

Puntos de ebullición y solubilidad

Los tioles muestran poca asociación por enlaces de hidrógeno, tanto con moléculas de agua como entre ellos. Por lo tanto, tienen puntos de ebullición más bajos y son menos solubles en agua y otros solventes polares que los alcoholes de peso molecular similar. Por esta razón también, los tioles y sus correspondientes isómeros del grupo funcional sulfuro tienen características de solubilidad y puntos de ebullición similares, mientras que no ocurre lo mismo con los alcoholes y sus correspondientes éteres isoméricos.

Vínculos

El enlace S−H en los tioles es débil en comparación con el enlace O−H en los alcoholes. Para CH₃X−H, las entalpías de enlace son 365,07±2.1 kcal/mol para X = S y 440,2±3,0 kcal/mol para X = O. Hidrógeno- la abstracción de átomos de un tiol da un radical tiilo con la fórmula RS^•, donde R = alquilo o arilo.

Caracterización

Los tioles volátiles se detectan fácil y casi infaliblemente por su olor distintivo. Los analizadores específicos de azufre para cromatógrafos de gases son útiles. Los indicadores espectroscópicos son la señal de SH intercambiable con D2O en el espectro de RMN 1H (33S es activo en RMN pero las señales para el azufre divalente son muy amplias y de poca utilidad). La banda ν_SH aparece cerca de 2400 cm⁻¹ en el espectro IR. En la reacción del nitroprusiato, los grupos tiol libres reaccionan con el nitroprusiato de sodio y el hidróxido de amonio para dar un color rojo.

Preparación

En la industria, el metanotiol se prepara mediante la reacción de sulfuro de hidrógeno con metanol. Este método se emplea para la síntesis industrial de metanotiol:

CH₃OH + H₂S → CH₃SH + H₂O

Tales reacciones se llevan a cabo en presencia de catalizadores ácidos. La otra ruta principal hacia los tioles implica la adición de sulfuro de hidrógeno a los alquenos. Tales reacciones generalmente se llevan a cabo en presencia de un catalizador ácido o luz ultravioleta. También se ha utilizado el desplazamiento de haluro, usando el haluro orgánico adecuado y el sulfuro de hidrógeno de sodio.

Otro método implica la alquilación de hidrosulfuro de sodio.

RX + NaSH → RSH + NaX(X = Cl, Br, I)

Este método se utiliza para la producción de ácido tioglicólico a partir de ácido cloroacético.

Métodos de laboratorio

En general, en la escala típica de laboratorio, la reacción directa de un haloalcano con hidrosulfuro de sodio es ineficiente debido a la formación competitiva de sulfuros. En cambio, los haluros de alquilo se convierten en tioles a través de una alquilación S de la tiourea. Este proceso de varios pasos en un solo recipiente se realiza a través de la intermediación de la sal de isotiouronio, que se hidroliza en un paso separado:

CH₃CH₂Br + SC(NH)₂)₂ →₃CH₂SC(NH₂)₂]Br

[CH]₃CH₂SC(NH₂)₂]Br + NaOH → CH₃CH₂SH + OC(NH)₂)₂ + NaBr

La ruta de la tiourea funciona bien con haluros primarios, especialmente los activados. Los tioles secundarios y terciarios se preparan con menos facilidad. Los tioles secundarios se pueden preparar a partir de la cetona a través de los ditiocetales correspondientes. Un proceso de dos pasos relacionado consiste en la alquilación del tiosulfato para dar el tiosulfonato ('sal de Bunte'), seguida de hidrólisis. El método se ilustra mediante una síntesis de ácido tioglicólico:

ClCH₂CO₂H + Na₂S₂O₃ → Na[O]₃S₂CH₂CO₂H] + NaCl

Na[O]₃S₂CH₂CO₂H] + H₂O → HSCH₂CO₂H + NaHSO₄

Los compuestos de organolitio y los reactivos de Grignard reaccionan con el azufre para dar los tiolatos, que se hidrolizan fácilmente:

RLi + S → RSLi

RSLi + HCl → RSH + LiCl

Los fenoles se pueden convertir en tiofenoles mediante la reordenación de sus O-aril dialquiltiocarbamatos.

Los tioles se preparan mediante desalquilación reductora de sulfuros, especialmente derivados de bencilo y tioacetales.

Los tiofenoles se producen mediante arilación S o sustitución del grupo saliente diazonio por anión sulfhidrilo (SH⁻):

ArN⁺
₂ + SH⁻ → ArSH + N₂

Reacciones

Al igual que la química de los alcoholes, los tioles forman sulfuros, tioacetales y tioésteres, que son análogos a los éteres, acetales y ésteres, respectivamente. Los tioles y los alcoholes también son muy diferentes en su reactividad, los tioles se oxidan más fácilmente que los alcoholes. Los tiolatos son nucleófilos más potentes que los alcóxidos correspondientes.

S-alquilación

Los tioles, o más específicamente sus bases conjugadas, se alquilan fácilmente para dar sulfuros:

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

Acidez

Los tioles se desprotonan fácilmente. En relación con los alcoholes, los tioles son más ácidos. La base conjugada de un tiol se denomina tiolato. El butanotiol tiene un pKa de 10,5 frente a 15 del butanol. El tiofenol tiene un pKa de 6, frente a 10 del fenol. Un tiol muy ácido es el pentafluorotiofenol (C₆F₅SH) con un pK_a de 2,68. Así, los tiolatos se pueden obtener a partir de tioles mediante tratamiento con hidróxidos de metales alcalinos.

Síntesis del tiofenolato del tiofenol

Redox

Los tioles, especialmente en presencia de una base, se oxidan fácilmente con reactivos como el bromo y el yodo para dar un disulfuro orgánico (R-S-S-R).

2 R−SH + Br₂ → R−S−S−R + 2 HBr

La oxidación con reactivos más potentes como el hipoclorito de sodio o el peróxido de hidrógeno también puede producir ácidos sulfónicos (RSO₃H).

RSH + 3 H₂O₂ → RSO₃H + 3 H₂O

La oxidación también puede efectuarse con oxígeno en presencia de catalizadores:

2 R-SH + 1.2O₂ → RS−SR + H₂O

Los tioles participan en el intercambio tiol-disulfuro:

RS− + 2 R′SH → 2 RSH + R′S−SR′

Esta reacción es importante en la naturaleza.

Complejación de iones metálicos

Con iones metálicos, los tiolatos se comportan como ligandos para formar complejos de tiolatos de metales de transición. El término mercaptano se deriva del latín mercurium captans (captura de mercurio) porque el grupo tiolato se une muy fuertemente con los compuestos de mercurio. Según la teoría de ácido/base duro/blando (HSAB), el azufre es un átomo relativamente blando (polarizable). Esto explica la tendencia de los tioles a unirse a elementos blandos e iones como el mercurio, el plomo o el cadmio. La estabilidad de los tiolatos metálicos es paralela a la de los minerales de sulfuro correspondientes.

Tioxantatos

Los tiolatos reaccionan con el disulfuro de carbono para dar tioxantato (RSCS⁻
₂).

Radicales tiilo

Los radicales libres derivados de los mercaptanos, denominados radicales tiilo, suelen invocarse para explicar reacciones en química orgánica y bioquímica. Tienen la fórmula RS^• donde R es un sustituyente orgánico como alquilo o arilo. Surgen o pueden generarse por varias rutas, pero el método principal es la extracción de átomos de H a partir de tioles. Otro método implica la homólisis de disulfuros orgánicos. En biología, los radicales tiilo son responsables de la formación de los ácidos desoxirribonucleicos, componentes básicos del ADN. Esta conversión es catalizada por la ribonucleótido reductasa (ver figura). Los intermedios de tiilo también se producen por la oxidación del glutatión, un antioxidante en biología. Los radicales tiilo (centrados en azufre) pueden transformarse en radicales centrados en carbono a través de equilibrios de intercambio de átomos de hidrógeno. La formación de radicales centrados en el carbono podría provocar daños en las proteínas a través de la formación de enlaces C-C o la fragmentación de la columna vertebral.

Debido a la debilidad del enlace S−H, los tioles pueden funcionar como secuestradores de radicales libres.

Importancia biológica

El ciclo catalítico para la reductasa de ribonucleótido, demostrando el papel de los radicales del tiilo en la producción de la maquinaria genética de la vida.

Cisteína y cistina

Como grupo funcional del aminoácido cisteína, el grupo tiol juega un papel muy importante en biología. Cuando los grupos tiol de dos residuos de cisteína (como en monómeros o unidades constituyentes) se acercan durante el plegamiento de la proteína, una reacción de oxidación puede generar una unidad de cistina con un enlace disulfuro (−S−S−). Los enlaces disulfuro pueden contribuir a la estructura terciaria de una proteína si las cisteínas son parte de la misma cadena peptídica, o contribuir a la estructura cuaternaria de proteínas de unidades múltiples al formar enlaces covalentes bastante fuertes entre diferentes cadenas peptídicas. Las tecnologías para alisar el cabello proporcionan una manifestación física del equilibrio cisteína-cistina.

Los grupos sulfhidrilo en el sitio activo de una enzima también pueden formar enlaces no covalentes con el sustrato de la enzima, lo que contribuye a la actividad catalítica covalente en las tríadas catalíticas. Los residuos de cisteína del sitio activo son la unidad funcional en las tríadas catalíticas de cisteína proteasa. Los residuos de cisteína también pueden reaccionar con iones de metales pesados (Zn²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺, Ag⁺) debido a la alta afinidad entre el sulfuro blando y el metal blando (ver ácidos y bases duros y blandos). Esto puede deformar e inactivar la proteína, y es un mecanismo de envenenamiento por metales pesados.

Fármacos que contienen el grupo tiol 6-mercaptopurina (anticancerígeno) Captopril (antihipertensivo) D-penicilamina (antiartrítico) Aurotiolato de sodio (antiartrítico)

Cofactores

Muchos cofactores (moléculas auxiliares no basadas en proteínas) contienen tioles. La biosíntesis y degradación de ácidos grasos e hidrocarburos de cadena larga relacionados se lleva a cabo en un andamiaje que ancla la cadena en crecimiento a través de un tioéster derivado del tiol Coenzima A. La biosíntesis de metano, el principal hidrocarburo de la Tierra, surge de la reacción mediada por coenzima M, ácido 2-mercaptoetilsulfónico. Los tiolatos, las bases conjugadas derivadas de los tioles, forman complejos fuertes con muchos iones metálicos, especialmente los clasificados como blandos. La estabilidad de los tiolatos metálicos es paralela a la de los minerales de sulfuro correspondientes.

En mofetas

El spray defensivo de los zorrillos consiste principalmente en tioles de bajo peso molecular y derivados con mal olor, que protege al zorrillo de los depredadores. Los búhos pueden aprovecharse de los zorrillos, ya que carecen del sentido del olfato.

Ejemplos de tioles