En química orgánica , un tiol ( / ˈ θ aɪ ɒ l / ; [1] del griego antiguo θεῖον (theion) ' azufre ' [2] ), 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 se denomina grupo tiol , grupo sulfhidrilo o grupo sulfanilo . Los tioles son el análogo de azufre de los alcoholes (es decir, el azufre reemplaza al oxígeno en el grupo hidroxilo ( -OH ) de un alcohol), y la palabra es una mezcla de " tio- " con "alcohol".
Muchos tioles tienen olores fuertes parecidos al del ajo o a 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 ( / m ər ˈ k æ p t æ n / ) [3] o compuestos mercapto , [4] [5] [6] un término introducido en 1832 por William Christopher Zeise y que se deriva del Del latín mercurio captāns ('capturar mercurio') [7] porque el grupo tiolato ( RS − ) se une muy fuertemente a los compuestos de mercurio . [8]
Los tioles que tienen la estructura R-SH, en los que un grupo alquilo (R) está unido a un grupo sulfhidrilo (SH), se denominan alcanotioles o alquiltioles . [9] Los tioles y 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 ) son aproximadamente 40 picómetros más largas que las de los enlaces C-O típicos. Los ángulos C-S-H se aproximan a 90°, mientras que el ángulo del grupo C-O-H es más obtuso. En sólidos y líquidos, los enlaces de hidrógeno entre grupos tiol individuales son débiles, siendo la principal fuerza cohesiva las interacciones de Van der Waals entre los centros de azufre divalentes altamente polarizables.
El enlace S-H es mucho más débil que el enlace O-H, como se refleja en sus respectivas energías de disociación de enlaces (BDE). Para CH 3 S − H, el BDE es 366 kJ/mol (87 kcal/mol), mientras que para CH 3 O − H, el BDE es 440 kJ/mol (110 kcal/mol). [10]
Un enlace S-H es moderadamente polar debido a la pequeña diferencia en la electronegatividad del azufre y el hidrógeno. 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.
Hay varias formas de nombrar los alquiltioles:
Muchos tioles tienen olores fuertes parecidos al del ajo . Los olores de los tioles, particularmente los de bajo peso molecular, suelen ser fuertes y repulsivos. La pulverización de zorrillos se compone principalmente de tioles y derivados de bajo peso molecular. [11] [12] [13] [14] [15] Estos compuestos son detectables por la nariz humana en concentraciones de sólo 10 partes por mil millones. [16] El sudor humano contiene ( R )/( S )-3-metil-3-mercapto-1-ol (MSH), detectable en 2 partes por mil millones y que tiene un olor afrutado parecido al de la cebolla . (Metiltio)metanotiol (MeSCH 2 SH; 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 macho . Lawrence C. Katz y sus colaboradores demostraron que MTMT funcionaba como un semioquímico , activando ciertas neuronas sensoriales olfativas del ratón, atrayendo a las hembras . [17] Se ha demostrado que el cobre es necesario para un receptor olfativo de ratón específico, MOR244-3, que responde altamente al MTMT, así como a varios otros tioles y compuestos relacionados. [18] Se ha identificado un receptor olfativo humano, OR2T11 , que, en presencia de cobre, es muy sensible a los olores de los gases (ver más abajo) etanotiol y t -butilmercaptano , así como a otros tioles de bajo peso molecular, incluido el alilmercaptano. que se encuentra en el aliento de ajo humano y el sulfuro cíclico de olor fuerte tietano . [19]
Los tioles también son responsables de una clase de defectos del vino causados por una reacción involuntaria entre el azufre y la levadura y el olor "skunk" de la cerveza que ha sido 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 sólo en bajas concentraciones. El mercaptano puro tiene un olor desagradable.
En los Estados Unidos, se exigió a los distribuidores de gas natural que añadieran tioles, originalmente etanotiol , al gas natural (que es naturalmente inodoro) después de la mortal explosión de la Escuela New London en New London, Texas , en 1937. Muchos distribuidores de gas estaban odorizando el gas antes de este evento. La mayoría de los odorantes de gas utilizados actualmente contienen mezclas de mercaptanos y sulfuros, siendo el t -butilmercaptano el principal componente oloroso del gas natural y el etanotiol del gas licuado de petróleo (GLP, propano). [20] En situaciones donde 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.
Los tioles muestran poca asociación por enlaces de hidrógeno , tanto con moléculas de agua como entre sí. Por tanto, tienen puntos de ebullición más bajos y son menos solubles en agua y otros disolventes 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.
El enlace S-H en los tioles es débil en comparación con el enlace O-H en los alcoholes. Para CH 3 X−H, las entalpías de enlace son365,07 ± 2,1 kcal/mol para X = S y440,2 ± 3,0 kcal/mol para X = O. [21] La abstracción del átomo de hidrógeno de un tiol da un radical tiilo con la fórmula RS • , donde R = alquilo o arilo.
Los tioles volátiles se detectan fácil y casi infaliblemente por su olor distintivo. Son útiles los analizadores específicos de azufre para cromatógrafos de gases . Los indicadores espectroscópicos son la señal SH intercambiable con D 2 O en el espectro de RMN 1 H ( el 33 S es activo en RMN , pero las señales para el azufre divalente son muy amplias y de poca utilidad [22] ). La banda ν SH aparece cerca de 2400 cm −1 en el espectro IR . [4] 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.
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 :
Estas 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 . Estas reacciones suelen realizarse en presencia de un catalizador ácido o luz ultravioleta. También se ha utilizado el desplazamiento de haluro , utilizando el haluro orgánico adecuado y sulfuro de hidrógeno de sodio. [23]
Otro método implica la alquilación de hidrosulfuro de sodio .
Este método se utiliza para la producción de ácido tioglicólico a partir de ácido cloroacético .
En general, a 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 mediante una S -alquilación de 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: [24] [25]
La ruta de la tiourea funciona bien con haluros primarios, especialmente los activados. Los tioles secundarios y terciarios se preparan con menor facilidad. Los tioles secundarios se pueden preparar a partir de la cetona mediante los ditiocetales correspondientes . [26] Un proceso relacionado de dos pasos implica la alquilación de tiosulfato para dar el tiosulfonato (" sal de Bunte "), seguida de hidrólisis. El método se ilustra con una síntesis de ácido tioglicólico :
Los compuestos de organolitio y los reactivos de Grignard reaccionan con el azufre para dar tiolatos, que se hidrolizan fácilmente: [27]
Los fenoles se pueden convertir en tiofenoles mediante la transposición de sus O -aril dialquiltiocarbamatos. [28]
Los tioles se preparan mediante desalquilación reductora de sulfuros, especialmente derivados de bencilo y tioacetales. [29]
Los tiofenoles se producen por S -arilación o la sustitución del grupo saliente de diazonio por anión sulfhidrilo (SH − ): [30] [31]
De manera similar a 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, ya que los tioles se oxidan más fácilmente que los alcoholes. Los tiolatos son nucleófilos más potentes que los alcóxidos correspondientes .
Los tioles, o más específicamente sus bases conjugadas, se alquilan fácilmente para dar sulfuros:
Los tioles se desprotonan fácilmente. [32] En relación con los alcoholes, los tioles son más ácidos. La base conjugada de un tiol se llama tiolato . El butanotiol tiene un p K a de 10,5 frente a 15 del butanol. El tiofenol tiene un p K a de 6, frente a 10 del fenol . Un tiol muy ácido es el pentafluorotiofenol (C 6 F 5 SH) con un ap K a de 2,68. Así, a partir de tioles se pueden obtener tiolatos mediante tratamiento con hidróxidos de metales alcalinos.
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).
La oxidación por reactivos más potentes como el hipoclorito de sodio o el peróxido de hidrógeno también puede producir ácidos sulfónicos (RSO 3 H).
La oxidación también puede realizarse con oxígeno en presencia de catalizadores: [33]
Los tioles participan en el intercambio tiol-disulfuro:
Esta reacción es importante en la naturaleza.
Con iones metálicos, los tiolatos se comportan como ligandos para formar complejos de tiolato de metales de transición . El término mercaptano se deriva del latín mercurium captans (captura de mercurio) [7] porque el grupo tiolato se une muy fuertemente a 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 correspondientes minerales sulfurados.
Los tiolatos reaccionan con disulfuro de carbono para dar tioxantato ( RSCS−
2).
Los radicales libres derivados de los mercaptanos, llamados radicales tiilo , se invocan comúnmente para explicar reacciones en química orgánica y bioquímica . Tienen la fórmula RS • donde R es un sustituyente orgánico como alquilo o arilo . [6] Surgen o pueden ser generados por varias rutas, pero el método principal es la abstracción de átomos de H de los tioles. Otro método implica la homólisis de disulfuros orgánicos. [34] 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). [35] Los intermediarios tiilo también se producen mediante la oxidación del glutatión , un antioxidante en biología. Los radicales tiilo (centrados en azufre) pueden transformarse en radicales centrados en carbono mediante equilibrios de intercambio de átomos de hidrógeno . La formación de radicales centrados en carbono podría provocar daños en las proteínas mediante la formación de enlaces C -C o la fragmentación de la columna vertebral. [36]
Debido a la debilidad del enlace S-H, los tioles pueden funcionar como eliminadores de radicales libres . [37]
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 los monómeros o unidades constituyentes) se acercan entre sí en el curso del plegamiento de proteínas , 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 múltiples unidades formando enlaces covalentes bastante fuertes entre diferentes cadenas peptídicas. Las tecnologías de alisado del cabello proporcionan una manifestación física del equilibrio cisteína-cistina . [38]
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 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 (Zn 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ , Hg 2+ , 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 intoxicación por metales pesados .
Medicamentos que contienen grupo tiol 6-Mercaptopurina (anticancerígeno) Captopril (antihipertensivo) D-penicilamina (antiartrítico) Aurotiolato de sodio (antiartrítico) [39]
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 andamio que ancla la cadena en crecimiento a través de un tioéster derivado del tiol Coenzima A. La biosíntesis del metano , el principal hidrocarburo de la Tierra, surge de la reacción mediada por la coenzima M , ácido 2-mercaptoetilsulfónico. Los tiolatos, las bases conjugadas derivadas de los tioles, forman complejos fuertes con muchos iones metálicos, especialmente aquellos clasificados como blandos. La estabilidad de los tiolatos metálicos es paralela a la de los correspondientes minerales sulfurados.
La pulverización defensiva de los zorrillos se compone principalmente de tioles de bajo peso molecular y derivados con mal olor, que protegen al zorrillo de los depredadores. Los búhos pueden cazar zorrillos porque carecen del sentido del olfato. [40]
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link); Volúmenes recopilados , vol. 8, pág. 302.Los sulfhidrilos son eliminadores de radicales libres y protegen el daño químico inducido por radiaciones ionizantes o agentes alquilantes.