チオール

有機化学において、チオール（/ ˈ θ aɪ ɒ l / ; ^[1]古代ギリシャ語の θεῖον (theion)  「硫黄」^[2]に由来）またはチオール誘導体は、 R−SHの形式の有機硫黄化合物であり、R はアルキルまたはその他の有機置換基を表す。−SH官能基自体は、チオール基、スルフヒドリル基、またはスルファニル基のいずれかと呼ばれる。 チオールはアルコールの硫黄類似体（つまり、硫黄はアルコールのヒドロキシル（−OH ）基の酸素に置き換わる）であり、この単語は「チオ」と「アルコール」が融合したものだ。

多くのチオールは、ニンニクや腐った卵に似た強い臭いがあります。チオールは天然ガス（純粋な状態では無臭）の検知を助けるための着臭剤として使用され、「天然ガスの臭い」は着臭剤として使用されるチオールの臭いによるものです。チオールは、メルカプタン（/ m ər ˈ k æ p t æ n /）^[3]またはメルカプト化合物^{[4] [5]と呼ばれることもあります。 [6]}この用語は、1832年にウィリアム・クリストファー・ザイズによって導入され、ラテン語のmercurio captāns（「水銀を捕獲する」）^[7]に由来しています。これは、チオラート基（RS ⁻ ）が水銀化合物と非常に強く結合するためです。^[8]

アルキル基（R）がスルフィドリル基（SH）に結合したR−SH構造を持つチオールは、アルカンチオールまたはアルキルチオールと呼ばれます。^[9]チオールとアルコールは同様の結合性を持っています。硫黄原子は酸素原子よりも大きいため、C−S結合長（通常約180ピコメートル）は、一般的なC−O結合よりも約40ピコメートル長くなります。C−S−H角度は90°に近づきますが、C−O−H基の角度はより鈍角になります。固体と液体では、個々のチオール基間の水素結合は弱く、主な凝集力は、高分極二価硫黄中心間のファンデルワールス相互作用です。

S−H結合はO−H結合よりもはるかに弱く、これはそれぞれの結合解離エネルギー（BDE）に反映されています。CH _{3 S−Hの場合、BDEは366 kJ/mol（87 kcal/mol）ですが、CH 3} O−Hの場合、BDEは440 kJ/mol（110 kcal/mol）です。^[10]

S−H 結合は、硫黄と水素の電気陰性度の差が小さいため、中程度の極性があります。対照的に、ヒドロキシル基の O−H 結合はより極性があります。チオールは、対応するアルコールに比べて 双極子モーメントが低くなります。

アルキルチオールの命名方法はいくつかあります。

• アルカンの名前に接尾辞-thiolが追加されます。この方法はアルコールの命名とほぼ同じで、 IUPACで使用されています。たとえば、 CH _{3 SH は}メタンチオールになります。
• メルカプタンという単語は、同等のアルコール化合物の名前でアルコールの代わりに使用されます。例: CH ₃ SH はメチルメルカプタンであり、CH ₃ OH はメチルアルコールと呼ばれます。
• スルフヒドリルまたはメルカプトという用語は接頭辞として使用されます（例：メルカプトプリン）。

多くのチオールはニンニクに似た強い臭いがあります。チオール、特に低分子量のものは、しばしば強くて不快な臭いを放ちます。スカンクのスプレーは主に低分子量チオールとその誘導体で構成されています。^{[11] [12] [13] [14] [15]}これらの化合物は、わずか 10 ppb の濃度で人間の鼻に検出されます。^[16]人間の汗には ( R )/( S )-3-メチル-3-メルカプト-1-オール (MSH) が含まれており、2 ppb で検出され、フルーティーでタマネギのような臭いがあります。 (メチルチオ)メタンチオール (MeSCH _{2 SH; MTMT) は、雄の}マウスの尿に含まれる、臭いが強い揮発性チオールで、ppb レベルで検出されます。ローレンス・C・カッツと同僚らは、MTMTが情報化学物質として機能し、特定のマウス嗅覚感覚ニューロンを活性化し、メスのマウスを引き付けることを明らかにした。^[17]銅は、MTMTだけでなくさまざまな他のチオールや関連化合物に非常に敏感な特定のマウス嗅覚受容体MOR244-3に必要であることがわかっている。[ 18 ] 銅の存在下では、ガス臭物質（以下を参照）であるエタンチオールやt-ブチルメルカプタン、およびニンニクの吐息に含まれるアリルメルカプタンや強い匂いの環状硫化物チエタンなどの他の低分子量チオールに非常に敏感なヒト嗅覚^受容体OR2T11が特定されている。 [ 19 ^]

チオールは、硫黄と酵母の予期せぬ反応によって引き起こされるワインの欠陥や、紫外線にさらされたビールの「スカンクのような」臭い の原因にもなります。

すべてのチオールが不快な臭いを持つわけではありません。たとえば、フラン-2-イルメタンチオールは焙煎コーヒーの香りに寄与しますが、モノテルペノイドチオールであるグレープフルーツメルカプタンはグレープフルーツの特徴的な香りの原因です。後者の化合物の効果は低濃度でのみ存在します。純粋なメルカプタンは不快な臭いがあります。

米国では、 1937年にテキサス州ニューロンドンで発生したニューロンドン校の爆発事故で死者を出した事件の後、天然ガス供給業者は天然ガス（本来は無臭）にチオール（当初はエタンチオール）を添加するよう義務付けられた。多くのガス供給業者は、この事件以前にもガスに臭気を付けていた。現在使用されているガス用付臭剤のほとんどはメルカプタンと硫化物の混合物で、天然ガスの主な臭気成分はt-ブチルメルカプタン、液化石油ガス（LPG、プロパン）の主な臭気成分はエタンチオールである。 ^[20]液化石油ガスタンカーやバルクハンドリングシステムなど、商業産業でチオールが使用される状況では、臭気を破壊するために酸化触媒が使用される。銅ベースの酸化触媒は揮発性のチオールを中和し、不活性な生成物に変換する。

チオールは、水分子ともチオール同士とも水素結合による会合をほとんど示しません。そのため、同様の分子量のアルコールよりも沸点が低く、水やその他の極性溶媒への溶解性が低くなります。このため、チオールとそれに対応する硫化物官能基異性体は溶解特性と沸点が似ていますが、アルコールとそれに対応する異性体エーテルには同じことが当てはまりません。

チオールのS−H結合はアルコールのO−H結合に比べて弱い。CH ₃ X−Hの場合、結合エンタルピーは365.07 ± 2.1 kcal/mol（X = Sの場合）X = Oの場合、440.2 ± 3.0 kcal/mol。^[21] チオールから水素原子を引き抜くと、化学式RS ^•のチイルラジカルが得られる。ここで、Rはアルキルまたはアリールである。

揮発性チオールは、その独特の臭いによって容易に、そしてほぼ確実に検出されます。ガスクロマトグラフ用の_硫黄専用分析装置が便利です。分光学的指標は、¹ H NMRスペクトルのD ₂ O交換可能なS H信号です（³³ SはNMR活性ですが、二価硫黄の信号は非常に広く、あまり有用ではありません^[22]）。νSHバンドは、 IRスペクトルの2400 cm ⁻¹付近に現れます。^[4]ニトロプルシド反応では、遊離チオール基がニトロプルシドナトリウムおよび水酸化アンモニウムと反応して赤色になります。

工業的には、メタンチオールは硫化水素とメタノールの反応によって製造されます。この方法はメタンチオールの工業的合成に使用されます。

CH ₃ OH + H ₂ S → CH ₃ SH + H ₂ O

このような反応は酸性触媒の存在下で行われる。チオールへのもう一つの主な経路は、アルケンに硫化水素を付加することである。このような反応は通常、酸性触媒または紫外線の存在下で行われる。適切な有機ハロゲン化物と硫化水素ナトリウムを使用したハロゲン置換も使用されている。^[23]

もう一つの方法は、水硫化ナトリウムのアルキル化を伴います。

RX + NaSH → RSH + NaX  (X = Cl、Br、I)

この方法はクロロ酢酸からチオグリコール酸を製造するために使用されます。

一般的に、典型的な実験室規模では、ハロアルカンと水硫化ナトリウムとの直接反応は、硫化物の生成が競合するため効率的ではない。代わりに、アルキルハライドはチオ尿素のSアルキル化を介してチオールに変換される。この多段階のワンポットプロセスは、別の段階で加水分解されるイソチオウロニウム塩の仲介を介して進行する： ^{[24] [25]}

CH ₃ CH ₂ Br + SC(NH ₂ ) ₂ → [CH ₃ CH ₂ SC(NH ₂ ) ₂ ]Br

[CH ₃ CH ₂ SC(NH ₂ ) ₂ ]Br + NaOH → CH ₃ CH ₂ SH + OC(NH ₂ ) ₂ + NaBr

チオ尿素法は、第一級ハロゲン化物、特に活性ハロゲン化物でよく機能します。第二級および第三級チオールはそれほど簡単には製造できません。第二級チオールは、対応するジチオケタールを介してケトンから製造できます。^[26]関連する2段階プロセスでは、チオ硫酸塩をアルキル化してチオスルホン酸塩（「ブンテ塩」）を生成し、その後加水分解します。この方法は、チオグリコール酸の合成によって説明されています。

ClCH ₂ CO ₂ H + Na ₂ S ₂ O ₃ → Na[O ₃ S ₂ CH ₂ CO ₂ H] + NaCl

Na[O ₃ S ₂ CH ₂ CO ₂ H] + H ₂ O → HSCH ₂ CO ₂ H + NaHSO ₄

有機リチウム化合物とグリニャール試薬は硫黄と反応してチオラートを与え、これは容易に加水分解される。^[27]

RLi + S → RSLi

RSLi + HCl → RSH + LiCl

フェノールはO-アリールジアルキルチオカルバメートの転位によってチオフェノールに変換することができる。^[28]

チオールは硫化物、特にベンジル誘導体やチオアセタールの還元的脱アルキル化によって製造される。^[29]

チオフェノールはS-アリール化またはジアゾニウム脱離基をスルフィドリルアニオン（SH ⁻ ）に置換することによって生成される：^{[30] [31]}

アルン⁺
₂+ SH ⁻ → ArSH + N ₂

アルコールの化学と同様に、チオールは、それぞれエーテル、アセタール、エステルに相当する硫化物、チオアセタール、チオエステルを形成します。チオールとアルコールは反応性も大きく異なり、チオールはアルコールよりも容易に酸化されます。チオラートは、対応するアルコキシドよりも強力な求核剤です。

チオール、より具体的にはそれらの共役塩基は、容易にアルキル化されて硫化物を生成します。

RSH + R′Br + B → RSR′ + [HB]Br  (B = 塩基)

チオールは容易に脱プロトン化される。^[32] アルコールに比べて、チオールはより酸性である。チオールの共役塩基はチオラートと呼ばれる。ブタンチオールのp Ka は10.5_であるのに対し、ブタノールは15である。チオフェノールのp Ka は6であるのに対し、フェノールは10_である。酸性度の高いチオールはペンタフルオロチオフェノール（C ₆ F ₅ SH）で、p Ka は2.68で_ある。したがって、チオールをアルカリ金属水酸化物で処理することでチオラートを得ることができる。

チオールは、特に塩基の存在下では、臭素やヨウ素などの試薬によって容易に酸化され、有機ジスルフィド（R−S−S−R） を生成します。

2 R−SH + Br ₂ → R−​​S−S−R + 2 HBr

次亜塩素酸ナトリウムや過酸化水素などのより強力な試薬による酸化でも、スルホン酸(RSO ₃ H) が生成されることがあります。

R−SH + 3 H ₂ O ₂ → RSO ₃ H + 3 H ₂ O

酸化は触媒の存在下で酸素によっても起こる：^[33]

2 R–SH + 1 ⁄ 2  O ₂ → RS−SR + H ₂ O

チオールはチオール-ジスルフィド交換に関与する:

RS−SR + 2 R′SH → 2 RSH + R′S−SR′

この反応は自然界において重要です。

金属イオンとチオラートはリガンドとして作用し、遷移金属チオラート錯体を形成する。メルカプタンという用語はラテン語の mercurium captans (水銀を捕獲する) ^[7]に由来しており、これはチオラート基が水銀化合物と非常に強く結合することによる。ハード/ソフト酸/塩基 (HSAB) 理論によれば、硫黄は比較的柔らかい (分極可能な) 原子である。これは、チオールが水銀、鉛、カドミウムなどの柔らかい元素やイオンに結合する傾向を説明できる。金属チオラートの安定性は、対応する硫化鉱物の安定性に匹敵する。

チオレートは二硫化炭素と反応してチオキサントゲン酸（RSCS）を生成する。⁻
₂）。

メルカプタン由来のフリーラジカルはチイルラジカルと呼ばれ、有機化学や生化学の反応を説明するためによく用いられる。これらは化学式RS ^{•で表され、Rは}アルキルやアリールなどの有機置換基である。^[6]これらはさまざまな経路で生成または発生するが、主な方法はチオールからの水素原子引き抜きである。別の方法としては、有機ジスルフィドのホモリシスがある。 ^[34]生物学では、チイルラジカルはDNAの構成要素であるデオキシリボ核酸の形成に関与している。この変換は、リボヌクレオチド還元酵素によって触媒される（図を参照）。^{[35]チイル中間体は、生物学における抗酸化物質である}グルタチオンの酸化によっても生成される。チイルラジカル（硫黄中心）は、水素原子交換平衡によって炭素中心ラジカルに変換される。炭素中心ラジカルの形成は、C −C結合の形成または骨格の断片化を介してタンパク質の損傷につながる可能性がある。^[36]

S−H結合の弱さにより、チオールはフリーラジカルのスカベンジャーとして機能することができる。^[37]

アミノ酸 システインの官能基であるチオール基は、生物学において非常に重要な役割を果たしている。タンパク質の折り畳みの過程で、2つのシステイン残基（モノマーまたは構成単位など）のチオール基が互いに近づくと、酸化反応によってジスルフィド結合（−S−S−）を持つシステイン単位が生成される。ジスルフィド結合は、システインが同じペプチド鎖の一部である場合、タンパク質の三次構造に寄与し、異なるペプチド鎖間でかなり強い共有結合を形成することで、多単位タンパク質の四次構造に寄与する。システイン-シスチン平衡の物理的発現は、ヘアストレートニング技術によって提供される。^[38]

酵素の活性部位のスルフィドリル基は、酵素の基質と非共有結合を形成することもでき、触媒三分子にお​​ける共有結合触媒活性に寄与する。活性部位のシステイン残基は、システインプロテアーゼ触媒三分子の機能単位である。システイン残基は、軟硫化物と軟金属間の親和性が高いため、重金属イオン（Zn ²⁺、Cd ²⁺、Pb ²⁺、Hg ²⁺、Ag ⁺）とも反応する可能性がある（硬い酸と塩基、柔らかい酸と塩基を参照）。これによりタンパク質が変形して不活性化される可能性があり、重金属中毒の1つのメカニズムである。

チオール基を含む薬剤 6-メルカプトプリン（抗癌剤） カプトプリル（降圧剤） D-ペニシラミン（抗関節炎剤） 金チオ酸ナトリウム（抗関節炎剤）^[39]

多くの補因子（非タンパク質ベースのヘルパー分子）はチオールを特徴としています。脂肪酸および関連する長鎖炭化水素の生合成と分解は、チオール補酵素 Aから誘導されたチオエステルを介して成長する鎖を固定する足場上で行われます。地球上の主要な炭化水素であるメタンの生合成は、補酵素 M 、2-メルカプトエチルスルホン酸によって媒介される反応から生じます。チオールから誘導される共役塩基であるチオレートは、多くの金属イオン、特にソフトに分類される金属イオンと強力な錯体を形成します。金属チオレートの安定性は、対応する硫化鉱物の安定性に似ています。

スカンクの防御スプレーは主に悪臭を放つ低分子量チオールと誘導体で構成されており、捕食者からスカンクを守ります。フクロウは嗅覚がないため、スカンクを捕食することができます。^[40]

• ドクター甘味付け工程
• 芳香剤
• 過硫化物
• サヴィル反応
• チオール-ジスルフィド交換

• メルカプタン（またはチオール）の周期表のビデオ（ノッティンガム大学）
• ω-官能化 n-アルカンチオールおよびジスルフィドの応用、特性、合成 - 自己組織化単分子膜の構成要素 (ノースウェスタン大学、D. Witt、R. Klajn、P. Barski、BA Grzybowski 著)。
• メルカプタン、コロンビア電子百科事典より
• ペンシルバニア州およびメリーランド州のコロンビアガスによる「メルカプタンとは何か?」
• 最も臭いのひどい化学物質は何ですか? 2011-06-06 にWayback Machineでアーカイブされました(About Chemistry より)。