Organosulfur chemistry

La química organoazufrada estudia cómo se fabrican los compuestos orgánicos que contienen azufre y qué propiedades poseen. Aunque estos compuestos suelen asociarse con malos olores, algunas de las sustancias más dulces conocidas, como la sacarina, son derivados organoazufrados. El azufre es esencial para la vida, y la naturaleza está repleta de compuestos organoazufrados. Dos de los 20 aminoácidos estándar, la cisteína y la metionina, son organoazufrados, y tanto la penicilina como las sulfamidas contienen azufre. Mientras que los antibióticos a base de azufre han salvado innumerables vidas, el gas mostaza es un arma química letal. Los combustibles fósiles —carbón, petróleo y gas natural— provienen de organismos antiguos y siempre contienen compuestos organoazufrados; eliminarlos es una tarea clave para las refinerías de petróleo. El azufre pertenece al grupo de los calcógenos junto con el oxígeno, el selenio y el telurio, por lo que se espera que los compuestos organoazufrados se asemejen a los compuestos de carbono-oxígeno, carbono-selenio y carbono-telurio. Una prueba clásica para detectar azufre en compuestos es el método del halógeno de Carius. Los compuestos organoazufrados se agrupan según sus grupos funcionales que contienen azufre, enumerados aproximadamente en orden de frecuencia. Los sulfuros, antes llamados tioéteres, tienen un enlace C−S−C. En comparación con los enlaces C−C, los enlaces C−S son más largos —ya que los átomos de azufre son más grandes que los de carbono— y aproximadamente un 10% más débiles. Por ejemplo, el enlace simple S−C en el metanotiol mide 183 pm, y en el tiofeno, 173 pm. La energía de disociación del enlace C−S en el tiometano es de 89 kcal/mol (370 kJ/mol), frente a 100 kcal/mol (420 kJ/mol) para el metano; reemplazar el hidrógeno por un grupo metilo la reduce a 73 kcal/mol (305 kJ/mol). Un enlace simple carbono-oxígeno es más corto que un enlace C−C. El sulfuro de dimetilo y el éter dimetílico tienen energías de disociación de enlace de 73 y 77 kcal/mol (305 y 322 kJ/mol), respectivamente. Los sulfuros generalmente se preparan alquilando tioles. Los agentes alquilantes incluyen haluros de alquilo, epóxidos, aziridinas y aceptores de Michael. También pueden prepararse mediante el reordenamiento de Pummerer. En la reacción de Ferrario, el éter fenílico reacciona con azufre elemental y cloruro de aluminio para formar fenoxatiína. Los tioacetales y tiocetales tienen una secuencia de enlaces C−S−C−S−C y son una subclase de sulfuros. Los tioacetales son útiles para la "umpolung" de grupos carbonilo, y tanto los tioacetales como los tiocetales pueden proteger grupos carbonilo en síntesis orgánica. Estas clases de compuestos de azufre también aparecen en estructuras heterocíclicas saturadas e insaturadas, a menudo con otros heteroátomos; ejemplos incluyen tiiranos, tiirenos, tietanos, tietos, ditietanos, tiolanos, tianos, ditianos, tiepanos, tiepinos, tiazoles, isotiazoles y tiofenos. Los últimos tres son heterociclos de azufre aromáticos. 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 furano, su análogo de oxígeno. Esta diferencia surge porque la mayor electronegatividad del oxígeno atrae electrones lejos de la corriente del anillo aromático. Sin embargo, como sustituyente aromático, el grupo tio libera electrones de manera menos efectiva que el grupo alcoxi. Los dibenzotiofenos —heterociclos tricíclicos con dos anillos de benceno fusionados a un anillo central de tiofeno— son comunes en las fracciones de petróleo más pesadas. Los tioles tienen el grupo funcional R−SH. Se asemejan estructuralmente a los alcoholes, pero difieren mucho en su comportamiento químico: los tioles son más nucleofílicos, más ácidos y se oxidan más fácilmente. Su acidez puede diferir en 5 unidades de pKa. La pequeña diferencia de electronegatividad entre el azufre (2.58) y el hidrógeno (2.20) significa que el enlace de hidrógeno en los tioles es débil. Los tioles alifáticos forman monocapas sobre oro, un tema de interés en nanotecnología. Algunos tioles aromáticos pueden prepararse mediante la reacción de Herz. La eliminación del átomo de hidrógeno produce un radical tiilo, un intermedio de reacción inestable. Los disulfuros (R−S−S−R) tienen un enlace covalente azufre-azufre y son importantes para el entrecruzamiento —en bioquímica, para el plegamiento y la estabilidad de proteínas, y en química de polímeros, para el entrecruzamiento del caucho. También existen cadenas de azufre más largas, como en el producto natural varacina, que tiene un anillo inusual de pentatiepina (una cadena de cinco azufres ciclada sobre un anillo de benceno). Los ésteres de tioles con ácidos inorgánicos, como las sales de Bunte (a partir de un tiol y sulfato ácido de sodio), generalmente tienen propiedades predecibles a partir de las de los tioles y el ácido. Algunos son biológicamente significativos. Los ésteres de tiofosfato se usan ampliamente en farmacología y agricultura porque el grupo tiende a bloquear las enzimas que descomponen los fosfatos. Los S-nitrosotioles, o tionitritos, unen un grupo nitroso a un tiol (R−S−N=O). Han atraído la atención en bioquímica como donantes de ion nitrosonio (NO+) y óxido nítrico (NO), que pueden actuar como moléculas de señalización en sistemas vivos, especialmente en la vasodilatación. Los ácidos tiocarboxílicos (RC(O)SH) y los ácidos ditiocarboxílicos (RC(S)SH) son bien conocidos. Se asemejan estructuralmente a los ácidos carboxílicos, pero son más ácidos. Los tioésteres tienen la estructura general R−C(O)−S−R. Están relacionados con los ésteres comunes (R−C(O)−O−R), pero se hidrolizan y reaccionan más fácilmente. Los tioésteres de la coenzima A son prominentes en bioquímica, particularmente en la síntesis de ácidos grasos. Las tioamidas, con la fórmula R1C(=S)N(R2)R3, son más comunes que las tiocetonas y los tioaldehídos. Generalmente se preparan mediante...