11.14
Herstellung und Reaktionen von Thiolen
Thiole werden unter Verwendung des Schwefelwasserstoffanions als Nukleophil in einer nukleophilen Substitutionsreaktion mit Alkylhalogeniden hergestel…
Thiole sind eine Klasse schwefelhaltiger organischer Verbindungen mit einer -SH-funktionellen Gruppe.
Sie werden in der Regel aus Alkylhalogeniden über eine SN2-Reaktion mit einem Schwefelnukleophil, wie z. B. einem Hydrosulfid-Anion, hergestellt.
Zum Beispiel reagiert 1-Brombutan mit Natriumhydrosulfid zu 1-Butanthiol.
Dabei übt das Hydrosulfid-Anion einen starken nukleophilen Angriff auf den Kohlenstoff aus, der die Halogenidgruppe trägt, wodurch das Halogenid-Ion in einer SN 2-Weiseverdrängt und das Thiol gebildet wird.
Diese Synthesemethode funktioniert jedoch nicht gut, da das Produkt Thiol eine zweite SN2-Reaktion mit dem Alkylhalogenid durchlaufen kann, wobei Sulfid als Nebenprodukt entsteht.
Diese Einschränkung kann durch die Verwendung eines Thioharnstoffs als Nukleophil überwunden werden. Thioharnstoff verdrängt das Halogenidion auf dem Alkylhalogenid und bildet ein Alkylisothioharnstoffsalz-Zwischenprodukt.
Das Salz wird dann mit einer wässrigen Basis hydrolysiert und ergibt Thiol als Produkt.
Thiole durchlaufen aufgrund der mehrfachen Oxidationsstufen des Schwefelatoms leicht eine Oxidation unter Bildung von Disulfiden, Sulfin- und Sulfonsäuren.
Die Oxidation von Thiolen zu Sulfonsäure über Sulfinsäure erfordert starke Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid oder Kaliumpermanganat.
Die Oxidation von Thiolen zu Disulfiden kann mit milden Oxidationsmitteln, wie molekularem Brom oder Jod in Base, erfolgen.
Zum Beispiel oxidiert Brom in wässrigem Natriumhydroxid zwei Äquivalente von Ethanthiol zu Diethyldisulfid.
Die Reaktion verläuft mit der Deprotonierung des Thiols durch das Hydroxidion, wodurch ein Thiolation entsteht.
Anschließend wirkt das Thiolat-Ion als starkes Nukleophil und greift in einer SN2-Reaktion das molekulare Brom an, wodurch ein Bromid-Ion verdrängt wird.
Schließlich übt ein zweites Thiolation einen nukleophilen Angriff auf den elektrophilen Schwefel in der zweiten Runde der SN2-Reaktion aus, um ein Disulfidprodukt zu erhalten.
Die Oxidation von Thiolen zu Disulfiden ist reversibel, und das resultierende Disulfid kann unter Verwendung von Reduktionsmitteln wie Salzsäure und Zink leicht wieder zu den Thiolen reduziert werden.
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Q1: How are thiols prepared from alkyl halides?
Thiols are prepared through nucleophilic substitution reactions with alkyl halides. The hydrosulfide anion acts as a strong nucleophile, attacking the carbon bearing the halide group and displacing it in an SN2 mechanism. For example, 1-bromobutane reacts with sodium hydrosulfide to produce 1-butanethiol. This method is straightforward but has limitations due to unwanted side reactions.
Q2: Why does the direct hydrosulfide method produce sulfide byproducts?
The thiol product can undergo a second SN2 reaction with excess alkyl halide, generating sulfide as a byproduct. This occurs because the thiol remains reactive in the presence of the halide reagent. Using thiourea as the nucleophile overcomes this limitation by forming an alkyl isothiourea salt intermediate that hydrolyzes cleanly to thiol without further reaction.
Q3: What is the thiourea synthesis method for preparing thiols?
Thiourea displaces the halide ion on the alkyl halide to form an alkyl isothiourea salt intermediate. This salt then undergoes hydrolysis with aqueous base to yield thiol as the final product. This two-step process avoids the sulfide byproduct problem because the intermediate is stable and does not react further with excess alkyl halide.
Q4: How do thiols oxidize to disulfides?
Thiols oxidize to disulfides through a reversible redox reaction. Mild oxidizing agents like molecular bromine or iodine in base facilitate this conversion. The thiol is first deprotonated to form a thiolate ion, which then attacks bromine in an SN2 reaction. A second thiolate ion attacks the electrophilic sulfur to form the disulfide product.
Q5: What oxidizing agents convert thiols to sulfonic acids?
Strong oxidizing agents such as hydrogen peroxide or potassium permanganate oxidize thiols to sulfonic acids via an intermediate sulfinic acid. This multi-step oxidation requires powerful oxidants because it involves multiple changes in the sulfur oxidation state. The sulfur atom's ability to access multiple oxidation states makes these transformations possible.
Q6: Why must thiols be stored in an inert atmosphere?
Thiols are highly susceptible to air oxidation, readily forming disulfides when exposed to atmospheric oxygen. The weak S–S bond in disulfides, approximately half the strength of other covalent bonds, makes this oxidation thermodynamically favorable. Storing thiols under inert gas prevents unwanted oxidation and maintains product purity.
Q7: Can disulfides be converted back to thiols?
Yes, disulfides can be easily reduced back to thiols using reducing agents such as hydrochloric acid in the presence of zinc. This reduction reverses the oxidation process, demonstrating the reversible nature of thiol-disulfide interconversion. This redox equilibrium is important in biochemistry and synthetic applications.