Química de los compuestos organosulfurados

Los sulfuros, anteriormente conocidos como tioéteres, se caracterizan por enlaces C−S−C ^{[ 3 ] [ 4 ]} En relación con los enlaces C−C, los enlaces C−S son más largos, porque los átomos de azufre son más grandes que los átomos de carbono, y aproximadamente un 10% más débiles. Las longitudes de enlace representativas en los compuestos de azufre son 183 pm para el enlace simple S−C en metanotiol y 173 pm en tiofeno . La energía de disociación del enlace C−S para el tiometano es 89 kcal/mol (370 kJ/mol) en comparación con los 100 kcal/mol (420 kJ/mol) del metano y cuando el hidrógeno es reemplazado por un grupo metilo la energía disminuye a 73 kcal/mol (305 kJ/mol). ^{[ 5 ]} El enlace simple carbono-oxígeno es más corto que el del enlace C−C. Las energías de disociación de enlace para el dimetilsulfuro y el dimetil éter son respectivamente 73 y 77 kcal/mol (305 y 322 kJ/mol).          

Los sulfuros se preparan típicamente mediante la alquilación de tioles. Los agentes alquilantes incluyen no solo haluros de alquilo, sino también epóxidos, aziridinas y aceptores de Michael . ^{[ 6 ]}

También pueden prepararse mediante el reordenamiento de Pummerer .

En la reacción de Ferrario , el fenil éter se convierte en fenoxatiina por acción del azufre elemental y el cloruro de aluminio . ^{[ 7 ]}

Los tioacetales y tiocetales presentan una secuencia de enlaces C−S−C−S−C. Representan una subclase de sulfuros. Los tioacetales son útiles para la inversión de polaridad ( umpolung ) de grupos carbonilo. También pueden utilizarse para proteger un grupo carbonilo en síntesis orgánicas.

Las clases de compuestos de azufre mencionadas anteriormente también existen en estructuras heterocíclicas saturadas e insaturadas , a menudo en combinación con otros heteroátomos , como lo ilustran los tiiranos , tiirenos , tietanos , tietes , ditietanos , tiolanos , tianos , ditianos , tiepanos , tiepinos , tiazoles , isotiazoles y tiofenos , entre otros. Los tres últimos compuestos representan una clase especial de heterociclos aromáticos que contienen azufre . La estabilización por resonancia del tiofeno es de 29  kcal/mol (121  kJ/mol) en comparación con 20  kcal/mol (84  kJ/mol) para el análogo de oxígeno, el furano . La razón de esta diferencia es la mayor electronegatividad del oxígeno, que atrae electrones hacia sí mismo a expensas de la corriente del anillo aromático. Sin embargo, como sustituyente aromático , el grupo tio es menos dador de electrones que el grupo alcoxi. Los dibenzotiofenos (véase el diagrama ), heterociclos tricíclicos formados por dos anillos de benceno fusionados a un anillo de tiofeno central, se encuentran ampliamente en las fracciones más pesadas del petróleo.

Los grupos tiol contienen la funcionalidad R−SH. Los tioles son estructuralmente similares al grupo alcohol , pero estas funcionalidades presentan propiedades químicas muy diferentes. Los tioles son más nucleofílicos , más ácidos y se oxidan con mayor facilidad. Esta acidez puede variar en 5 _unidades de pKa . ^{[ 8 ]}

La diferencia de electronegatividad entre el azufre (2,58) y el hidrógeno (2,20) es pequeña y, por lo tanto, el enlace de hidrógeno en los tioles no es prominente. Los tioles alifáticos forman monocapas sobre oro , que son de gran interés en nanotecnología .

Ciertos tioles aromáticos pueden obtenerse mediante una reacción de Herz .

La eliminación del átomo de hidrógeno produce un radical tiilo , un intermedio de reacción inestable.

Los enlaces disulfuro R−S−S−R, con un enlace covalente azufre-azufre, son importantes para la reticulación : en bioquímica , para el plegamiento y la estabilidad de algunas proteínas, y en química de polímeros, para la reticulación del caucho.

También se conocen cadenas de azufre más largas, como en el producto natural varacina , que contiene un anillo de pentateipina inusual (una cadena de 5 átomos de azufre ciclada sobre un anillo de benceno).

Los ésteres de tioles con ácidos inorgánicos (por ejemplo, las sales de Bunte , formadas formalmente a partir de un tiol y bisulfato de sodio ) generalmente presentan propiedades que se derivan de las de los tioles y el ácido correspondiente. Sin embargo, algunos son de interés biológico.

Los ésteres de tiofosfato se utilizan ampliamente en farmacología y agricultura, ya que este grupo funcional tiende a inhibir las enzimas que hidrolizan los fosfatos.

Los S -nitrosotioles , también conocidos como tionitritos, unen un grupo nitroso a un tiol, por ejemplo, R−S−N=O. Han recibido considerable atención en bioquímica porque actúan como donantes del ion nitrosonio, NO ⁺ , y del óxido nítrico, NO, que pueden funcionar como moléculas de señalización en los sistemas vivos, especialmente en relación con la vasodilatación. ^{[ 9 ]}

Los ácidos tiocarboxílicos (RC(O)SH) y los ácidos ditiocarboxílicos (RC(S)SH) son bien conocidos. Su estructura es similar a la de los ácidos carboxílicos, pero son más ácidos. Los tioésteres tienen la estructura general R−C(O)−S−R. Están relacionados con los ésteres regulares (R−C(O)−O−R), pero son más susceptibles a la hidrólisis y reacciones relacionadas. Los tioésteres formados a partir de la coenzima A son importantes en bioquímica, especialmente en la síntesis de ácidos grasos .

Las tioamidas , con la fórmula R ₁ C(=S)N(R ₂ )R _3, son más comunes que las tiocetonas y los tioaldehídos. Generalmente se preparan mediante la reacción de amidas con el reactivo de Lawesson . Los isotiocianatos , con la fórmula R−N=C=S, se encuentran en la naturaleza. Algunos alimentos vegetales con sabores característicos debido a los isotiocianatos son el wasabi , el rábano picante , la mostaza , el rábano , las coles de Bruselas , el berro , las capuchinas y las alcaparras .

Pocos cloruros de tioacilo son estables.

Los tiocianatos , R−S−CN, están relacionados con los haluros y ésteres de sulfenilo en términos de reactividad.

Los compuestos con enlaces dobles entre carbono y azufre son relativamente poco comunes, pero incluyen compuestos importantes como el disulfuro de carbono , el sulfuro de carbonilo y el tiofosgeno . Las tiocetonas (RC(=S) R ′ ) son poco comunes con sustituyentes alquilo, pero un ejemplo es la tiobenzofenona . Los tioaldehídos son aún más raros, lo que refleja su falta de protección estérica (" tioformaldehído " existe como un trímero cíclico).

Los S -óxidos de los compuestos tiocarbonílicos se conocen como tiocarbonil S -óxidos: (R ₂ C=S=O, y tiocarbonil S , S -dióxidos o sulfenos , R ₂ C=SO ₂ ). Los tiono S -óxidos también se han conocido como sulfinas , y aunque la IUPAC considera este término obsoleto, ^{[ 10 ]} el nombre persiste en la literatura. ^{[ 11 ]} Estos compuestos son bien conocidos con una química extensa. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Ejemplos incluyen syn -propanetial- S -óxido y sulfeno .

Los enlaces triples entre azufre y carbono en sulfaalquinos son raros y se pueden encontrar en el monosulfuro de carbono (CS) ^{[ 14 ]} y se han sugerido para los compuestos F ₃ CCSF ₃ ^{[ 15 ] [ 16 ]} y F ₅ SCSF ₃ . ^{[ 17 ]} El compuesto no ramificado HCSOH también se representa como poseedor de un enlace triple formal. ^{[ 18 ]}

Se conoce una amplia gama de compuestos organosulfurados que contienen uno o más átomos de halógeno ("X" en las fórmulas químicas que siguen) unidos a un solo átomo de azufre, por ejemplo: haluros de sulfenilo , RSX; haluros de sulfinilo , RS(O)X; haluros de sulfonilo , RSO₂X _; tricloruros de alquilo y arilazufre, RSCl₃ _y trifluoruros, RSF₃ _; [ ^{19 ] y} pentafluoruros de alquilo y arilazufre, RSF₅ _. [ ^{20 ] Menos} conocidos son los tetrahaluros de dialquilazufre, representados principalmente por los tetrafluoruros, por ejemplo, R₂SF₄ , _[ 21 ^] _aunque ^se conoce al menos un dicloruro ^de difluoruro ₍ R₂SF₂Cl₂ ₎ ^{. [} ₂₂ ^]

Un sulfóxido , R−S(O)−R, es el S -óxido de un sulfuro ("óxido de sulfuro"); una sulfona , R−S(O) ₂ −R, es el S , S -dióxido de un sulfuro; un tiosulfinato , R−S(O)−S−R, es el S -óxido de un disulfuro; y un tiosulfonato , R−S(O) ₂ −S−R, es el S , S -dióxido de un disulfuro. Todos estos compuestos son bien conocidos y tienen una química extensa, por ejemplo, el dimetilsulfóxido , la dimetilsulfona y la alicina (véase el dibujo ).

Los ácidos sulfónicos tienen la funcionalidad R−S(=O) ₂ −OH. ^{[ 23 ]} Son ácidos fuertes que suelen ser solubles en disolventes orgánicos. Los ácidos sulfónicos como el ácido trifluorometanosulfónico son reactivos de uso frecuente en química orgánica . Los ácidos sulfínicos tienen la funcionalidad R−S(O)−OH mientras que los ácidos sulfénicos tienen la funcionalidad R−S−OH. En la serie ácidos sulfónicos—sulfínicos—sulfénicos, tanto la fuerza ácida como la estabilidad disminuyen en ese orden. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Las sulfonamidas, sulfinamidas y sulfenamidas , con fórmulas R−SO ₂ N R ′ ₂ , R−S(O)N R ′ ₂ , y R−SN R ′ ₂ , respectivamente, tienen cada una una química rica. Por ejemplo, los fármacos sulfa son sulfonamidas derivadas de la sulfonación aromática . Las sulfinamidas quirales se utilizan en la síntesis asimétrica, mientras que las sulfenamidas se utilizan ampliamente en el proceso de vulcanización para facilitar la reticulación.

Las sulfimidas (también llamadas sulfiliminas) son compuestos de azufre-nitrógeno con estructura R₂S⁺N⁻R _′ ^, el análogo nitrogenado de los sulfóxidos. Son de interés, en parte, debido a sus propiedades farmacológicas. Cuando dos grupos R diferentes se unen al azufre, las sulfimidas son quirales. Las sulfimidas forman α-carbaniones estables. [ ^{26 ] Los sulfinilnitrenos} , a pesar de su estructura de resonancia formal como R⁻S ( =O)≡N, se comportan principalmente como sulfinamidas nitrénicas .

Las sulfoximidas (también llamadas sulfoximinas) son compuestos de azufre-nitrógeno tetracoordinados, isoelectrónicos con las sulfonas, en los que un átomo de oxígeno de la sulfona se reemplaza por un átomo de nitrógeno sustituido, por ejemplo, R₂S ₍ O)=N₂R ′ . Cuando dos grupos R diferentes se unen al azufre, las sulfoximidas son quirales. Gran parte del interés en esta clase de compuestos proviene del descubrimiento de que la metionina sulfoximida (metionina sulfoximina) es un inhibidor de la glutamina sintetasa . ^{[ 27 ]} En las sulfonediiminas (también llamadas sulfodiiminas, sulfodiimidas o sulfonediimidas), un nitrógeno reemplaza a ambos átomos de oxígeno de la sulfona, por ejemplo, R₂S ₍ =N₂R ′ ) ₂ _. Son de interés debido a su actividad biológica y como bloques de construcción para la síntesis de heterociclos. ^{[ 28 ]}

Las sulfinilaminas son compuestos bicoordinados de azufre-oxígeno-nitrógeno, que se pueden describir aproximadamente como RN=S ⁺ – O ⁻ .

Un ion sulfonio es un ion con carga positiva que presenta tres sustituyentes orgánicos unidos al azufre, con la fórmula [R₃S _] ⁺ ^. Junto con su contraparte con carga negativa, el anión, los compuestos se denominan sales de sulfonio. Un ion oxosulfonio es un ion con carga positiva que presenta tres sustituyentes orgánicos y un oxígeno unido al azufre, con la fórmula [R₃S ₌ O] ^⁺ . Junto con su contraparte con carga negativa, el anión, los compuestos se denominan sales de oxosulfonio. Entre las especies relacionadas se incluyen los iones alcoxisulfonio y clorosulfonio, [R₂SOR _] ⁺ ^y [R₂SCl _] ⁺ ^, respectivamente.

La desprotonación de sales de sulfonio y oxosulfonio produce iluros de estructura R ₂ S ⁺ −C ⁻ − R ′ ₂ y R ₂ S(O) ⁺ −C ⁻ − R ′ ₂ . Si bien los iluros de sulfonio , por ejemplo en la reacción de Johnson–Corey–Chaykovsky utilizada para sintetizar epóxidos , a veces se representan con un doble enlace C=S, p. ej., R ₂ S=C R ′ ₂ , el enlace carbono–azufre del iluro está altamente polarizado y se describe mejor como iónico. Los iluros de sulfonio son intermedios clave en el reordenamiento de Stevens, sintéticamente útil . Los iluros de tiocarbonilo (R R ′ C=S ⁺ −C ⁻ −R R ′ ) pueden formarse por apertura de anillo de tiiranos , fotociclación de sulfuros de aril vinilo, ^{[ 29 ]} así como por otros procesos.

Los sulfuranos son un grupo funcional relativamente especializado que presenta azufre tetravalente , con la fórmula SR ₄ ^{[ 2 ]} Del mismo modo, los persulfuranos presentan SR ₆ hexavalente .

Uno de los pocos persulfuranos totalmente de carbono tiene dos ligandos metilo y dos ligandos bifenileno : ^{[ 30 ]}

Se prepara a partir del sulfurano 1 correspondiente con difluoruro de xenón / trifluoruro de boro en acetonitrilo para obtener el dicatión sulfuranilo 2 , seguido de una reacción con metillitio en tetrahidrofurano para obtener el persulfurano 3 (estable) como isómero cis . La difracción de rayos X muestra longitudes de enlace C−S que oscilan entre 189 y 193  pm (más largas que la longitud de enlace estándar) con el átomo de azufre central en una geometría molecular octaédrica distorsionada .

Los compuestos organosulfurados comunes presentes en las fracciones de petróleo se encuentran en concentraciones de 200 a 500  ppm. Los compuestos más comunes son los tiofenos , especialmente los dibenzotiofenos . Mediante el proceso de _{hidrodesulfuración} ( HDS) en refinerías, estos compuestos se eliminan _{, como se ilustra} en la hidrogenólisis del _tiofeno : C₄H₄S + _8H₂ → C₄H₁₀ + _H₂S

Compuestos como la alicina y el ajoeno son responsables del olor del ajo . La lentiónina contribuye al sabor de los hongos shiitake . Los compuestos organosulfurados volátiles también aportan sutiles características de sabor al vino , los frutos secos, el queso cheddar , el chocolate , el café y los sabores de las frutas tropicales. ^{[ 31 ]} Muchos de estos productos naturales también poseen importantes propiedades medicinales, como la prevención de la agregación plaquetaria o la lucha contra el cáncer.

Los seres humanos y otros animales poseen un sentido del olfato extraordinariamente sensible para detectar el olor de compuestos organosulfurados de baja valencia, como tioles, sulfuros y disulfuros. Los tioles volátiles malolientes son productos de la degradación de proteínas presentes en alimentos en descomposición, por lo que su identificación precisa es crucial para evitar intoxicaciones. Los compuestos volátiles de azufre de baja valencia también se encuentran en zonas con bajos niveles de oxígeno en el aire, lo que supone un riesgo de asfixia.

El cobre es necesario para la detección altamente sensible de ciertos tioles volátiles y compuestos organosulfurados relacionados mediante receptores olfativos en ratones. Aún se desconoce si los humanos también requieren cobre para la detección sensible de tioles. ^{[ 32 ]}