11.14
Wytwarzanie i reakcje tioli
Tiole wytwarza się przy użyciu anionu wodorosiarczkowego jako nukleofilu w reakcji podstawienia nukleofilowego halogenkami alkilu. Na przykład bromobu…
Tiole to klasa związków organicznych zawierających siarkę z grupą funkcyjną –SH.
Zwykle wytwarza się je z halogenków alkilowych w reakcji SN2 z nukleofilem siarkowym, takim jak anion siarkowodorowy.
Na przykład 1-bromobutan reaguje z wodorosiarczkiem sodu, dając 1-butanotiol.
Tutaj anion wodorosiarczkowy wywiera silny atak nukleofilowy na węgiel zawierający grupę halogenkową, wypierając w ten sposób jon halogenkowy w sposób SN2 i tworząc tiol.
Jednak ta metoda syntezy nie działa dobrze, ponieważ produkt tiol może ulegać drugiej reakcji SN2 z halogenkiem alkilu, wytwarzając siarczek jako produkt uboczny.
To ograniczenie można przezwyciężyć, używając tiomocznika jako nukleofila. Tiomocznik wypiera jon halogenkowy na halogenku alkilu, tworząc półprodukt soli alkilizotiomocznikowej.
Sól jest następnie poddawana hydrolizie z zasadą wodną i daje tiol jako produkt.
Tiole łatwo ulegają utlenianiu, tworząc dwusiarczki, kwasy sulfinowe i sulfonowe ze względu na wielokrotne stopnie utlenienia atomu siarki.
Utlenianie tioli do kwasu sulfonowego za pomocą kwasu sulfinowego wymaga silnych środków utleniających, takich jak nadtlenek wodoru lub nadmanganian potasu.
Utlenianie tioli do dwusiarczków może zachodzić w przypadku łagodnych środków utleniających, takich jak brom cząsteczkowy lub jod w zasadzie.
Na przykład brom w wodnym roztworze wodorotlenku sodu utlenia dwa odpowiedniki etanotiolu do dwusiarczku dietylu.
Reakcja przebiega z deprotonacją tiolu przez jon wodorotlenkowy, wytwarzając jon tiolanowy.
Następnie jon tiolanowy działa jak silny nukleofil i atakuje brom molekularny w reakcjiS N2, wypierając jon bromkowy.
Wreszcie drugi jon tiolanowy wywiera atak nukleofilowy na siarkę elektrofilową w drugiej rundzie reakcji SN2, dając produkt dwusiarczku.
Utlenianie tioli do dwusiarczków jest odwracalne, a powstały dwusiarczek można łatwo zredukować z powrotem do tioli za pomocą środków redukujących, takich jak kwas solny i.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.