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¿Qué son los tiofenos?
Los tiofenos son compuestos orgánicos heterocíclicos, constituidos por un anillo aromático de 5 miembros con cuatro átomos de carbono y un átomo de azufre. El tiofeno es un líquido de punto de ebullición de 84 ºC, que se encuentra en el alquitran de la hulla. Se presenta como contaminante del benceno, cuando se obtienen del alquitran de la hulla.
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El tiofeno es un compuesto aromático rico en electrones. Su energía de resonancia es, aproximadamente, igual a la del pirrol, y mucho mayor que la del furano. Se encuentra en la naturaleza en ciertos productos vegetales, y es un componente de muchos productos farmacéuticos y colorantes sintéticos. La biotina (vitamina H) contiene en su estructura un anillo de tetrahidrotiofeno, y se encuentra en la levadura y en los huevos.
Síntesis de tiofenos
La síntesis comercial del tiofeno se efectúa mediante la ciclación de butano, butadieno, o butenos con azufre.
También, se puede preparar tiofeno, a escala de laboratorio, calentando una mezcla de succinato de sodio y trisulfuro de fosforo (P2S3), con unos rendimientos del 25-30 %.
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Síntesis de Paal-Knorr de tiofenos
La síntesis de Paal-Knorr de tiofenos se lleva a cabo a partir de compuestos 1,4-dicarbonilicos con pentasulfuro de fósforo (P2S5), en medio ácido.
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Síntesis de Hinsberg de tiofenos
La síntesis de Hisberg de tiofenos consiste en la condensación de α-dicetonas con tiodiacetado de etilo.
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El mecanismo ha sido establecido mediante experimentos de marcado isotópico.
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Síntesis de Gewald de tiofenos
La síntesis de Gewald de tiofenos consiste en una ciclación de un compuesto I (α-carbonil-tiol) sobre nitrilos.
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En lugar del compuesto compuesto I (α-carbonil-tiol) se puede usar un compuesto carbonílico sencillo con un grupo α-metileno en presencia de azufre elemental.
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El cierre del anillo es reversible y algunos 2-amino tiofenos se han abierto haciéndolos reaccionar con bases.
Reacciones de sustitución electrófila de tiofenos
El tiofeno es algo menos reactivo que le furano frente a los electrófilos (que da adición) y mucho menor el el pirrol (que da sustitución), pero aún así, es mucho as reactivo que el benceno (103 veces).
A causa de su mayor carácter aromático, el tiofeno tiende a sufrir reacciones de sustitución más que de adición, y no es tan fácil abrir el anillo con ácidos como en el caso del furano.
Es estable en ácidos minerales acuosos, pero no en ácido sulfúrico (H2SO4) al 100 %, ni en el caso de ácidos de Lewis fuertes como el cloruro de aluminio (Cl3Al).
La sustitución se favorece en la posición C2 del tiofeno. La sustitución en C3, tiene aproximadamente un 1 % de probabilidad de darse con la mayoría de electrófilos.
Ejemplo de nitración de tiofenos
La nitración de tiofenos, se lleva a cabo con ácido nítrico (HNO3) y ácido acético, y genera en una primera etapa, el 2-nitro tiofeno, y porteriormente en otro paso de nitración el producto mayoritario 2,5-dinitro tiofeno.
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En el caso del 2-ciano tiofeno la nitración ocurre en la posición C4.
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Ejemplo de sulfonación de tiofenos
El tiofeno se sulfona directamente con ácido sulfúrico (H2SO4). Además, esta reacción resulta muy práctica debido a que se trata del procedimiento habitual de liberación de tiofeno en el benceno. Se lleva a cabo agitando con ácido sulfúrico (H2SO4).
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Ejemplo de halogenación de tiofenos
Esta reacción se lleva a cabo con cloro y bromo y da como resultado toda la serie de productos de sustitución.
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La cloración con cloro y yodo produe el hexacloro derivado.
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Efecto de los sustituyentes en la sustitución electrófila
El efecto de los sustituyentes en el anillo de tiofeno se puede resumir en el siguiente esquema
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Por otro lado el ataque electrófilo en el átomo de azufre de los tiofenos no es una reacción muy común.
El átomo de del tiofeno azufre se puede alquilar con un electrófilo duro como el fluorosulfonato de metilo (CH3SO3F).
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Los peróxidos y peroxiácidos oxidan al tiofeno para dar un sulfóxido, que es demasiado inestable para poderse aislar.
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el S,S-dióxido de tiofeno es un dieno aislable pero reactivo.
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Ninguno de los dos compuestos anteriores presenta carácter aromático.
Sustitución nucleófila y de radicales
Los tiofenos sustituidos con grupos conjugativos electronatrayentes (especialmente el grupo nitro, –NO3), reaccionan con los nucleófilos mucho más facilmente que en el caso del benceno.
Esto se explica porque el intermedio formado, complejo de Meisenheimer, tiene un carbanión adyacente al azufre que presenta gran capacidad de estabilizarlo.
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Estas reaciones de sustitución no siempre siguen el camino habitual. Así, se llegan a dar casos de cine-sustitución, donde la introducción del nucleófilo se lleva a cabo en el átomo adyacente al del grupo saliente.
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Además, se pueden dar también tele-sustitución, cuando la introducción del nucleófilo se realiza en un átomo más alejado que la cine-sustitución.
Por otro lado, los nucleófilos, también, pueden provocar la apertura del anillo.
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El tiofeno, también, se puede fenilar en la posición C2 mediante reacción con radicales arilo, como se indica en el siguiente esquema.
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El tiofeno se puede transformar con facilidad en 2-bromo tiofeno con N-bromosuccinimida (NBS) mediante un mecaniso que se cree transcurre con la participación de radicales.
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En las condiciones de esta reacción de bromación, de 2-metil tiofeno, no se produce halogenación del metilo, sino en el anillo, dando el compuesto I, 5-bromo-2-metil tiofeno, y solo pequeñas cantidades el compuesto 2-bromometil tiofeno.
Reacciones de cicloadición y de adición de tiofenos
El tiofeno puede dar la reacción de Diels-Alder con dienófilos altamente activados, pero mucho peor que en el caso del furano.
Solamente reacciona con anhídrido maleico a 100 ºC y alta presión. Además, reacciona con acetilenos activados y con bencino, pero los aductos formados son inestables y pierden el átomo de azufre.
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También, se ha descrito la reacción de adición fotoquímica [2+2] del 2,5-dimetil tiofeno a cetonas.
Reacciones de reducción de tiofenos
Es difícil reducir tiofenos mediante hidrógeno y catalizador de platino (H2/Pt), debido a que los metales nobles del catalizador se envenenan. Sin embargo, con niquel Ni Raney se llega a abrir el anillo y se elimina el azufre de la molécula.
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Esta reacción se emplea para sintetizar compuestos de carbono saturados con grupos funcionales en posiciones específicas. Por ejemplo, una cetona anular de gran tamaño como la que se indica en el esquema.
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Los tiofenos se pueden reducir con sodio en amoniaco (Na/NH3) o bien en metanol (Na/MeOH).
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Propiedades de algunos tiofenos sustituidos
El tiofeno es más aromático que el furano y no es tan fuertemente donante de electrones como el pirrol. Por tanto, los sustituyentes del anillo de tiofeno se parecen más a sus análogos bencénicos.
Así, el tiofeno-2-carboxaldehído se asemeja al benzaldehído en casi toda su Química y el ácido tiofeno-2-carboxílico al ácido benzoico, aunque es un poco más fuerte.
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- El 2-clorometil tiofeno forma un derivado de Grignard y sufre reacciones de desplazamiento nucleofílico.
- Los hidroxi y amino derivados sencillos son altamente reactivos y se oxidan con facilidad com en la serie del furano y el pirrol.
- Los 2-hidroxi derivados existen como tautómeros ceto. Sin embargo, los 3-hidroxi tiofenos sencillos están como forma enólica.
- Si el anillo de tiofeno presenta un grupo adyacente que sea electrón atrayente, entonces, se hacen más estables. Por ejemplo, se pueden diazotar los aminocompuestos y copular la sal de diazonio, como sucede en las aminas aromáticas bencénicas (p.ej. véase síntesis del naranja de metilo).
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