Μεθανοθειόλη

Η μεθανοθειόλη (αγγλικά: methanethiol) είναι οργανική χημική ένωση, με μοριακό τύπο CH₄S, αν και παριστάνεται πιο συχνά και με τον ημισυντακτικό τύπο H₃CSH ή και με τη συντομογραφία MeSH. Αποτελεί το «θειούχο ανάλογο» της μεθανόλης. Η χημικά καθαρή μεθανοθειόλη, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο πολύεύφλεκτο αέριο, με χαρακτηριστική εξαιρετικά έντονη και δυσάρεστη οσμή σάπιου λάχανου.

Μεθανοθειόλη
Γενικά
Όνομα IUPAC	Μεθανοθειόλη
Άλλες ονομασίες	Μεθυλομερκαπτάνη Υδροθειομεθάνιο Θειαιθάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	CH4S
Μοριακή μάζα	48,107 ± 0,006 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	H3CSH
Συντομογραφίες	MeSH
Αριθμός CAS	74-93-1
SMILES	SC
Δομή
Διπολική ροπή	1,52 ± 0,08 D
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-123 °C
Σημείο βρασμού	5,96 °C
Κρίσιμη θερμοκρασία	196,85 °C
Κρίσιμη πίεση	7,23 MPa
Διαλυτότητα στο νερό	2%
Διαλυτότητα σε άλλους διαλύτες	αιθανόλη διαιθυλαιθέρα
Εμφάνιση	άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
pKa	10,4
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	−18°C
Σημείο αυτανάφλεξης	420°C
Επικινδυνότητα
Φράσεις κινδύνου	R12, R23, R50/53
Φράσεις ασφαλείας	S16, S25, S33S60, S61
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 4 1
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Είναι φυσικό συστατικό, που έχει βρεθεί (μεταξύ άλλων) στο αίμα, στον εγκέφαλο, καθώς και σε άλλους ζωικούς και φυτικούς ιστούς. Απεκκρίνεται με τα ζωικά περιττώματα. Περιέχεται με φυσικό τρόπο σε αρκετά τρόφιμα, όπως για παράδειγμα σε κάποιους ξηρούς καρπούς και σε (διάφορα) τυριά. Είναι μία από τις χημικές ουσίες που είναι κυρίως υπεύθυνες για το φαινόμενο της δυσάρεστης αναπνοής, αλλά και για τη μυρωδιά των αερίων εντέρου. Ανήκει στις θειόλες, που είναι οργανικά παράγωγα του υδροθείου (H₂S).

Η μεθανοθειόλη συμπεριφέρεται ως ασθενές οξύ, με pK_a περί το 10,4, αλλά επειδή η αντίστοιχη σταθερά της μεθανόλης είναι ~15,5, είναι συγκριτικά περίπου 10⁵ φορές πιο όξινη. Αυτή η όξινη ιδιότητά της την κάνει να σχηματίζει άλατα με διαλυμένα σε νερό κατιόντα μετάλλων.

Ονοματολογία

Η ονομασία «μεθανοθειόλη» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «μεθ-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ατόμου άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών στο μόριο και η κατάληξη «-θειόλη» φανερώνει ότι περιέχει μια υδροθειομάδα (-SH), ως κύρια χαρακτηριστική ομάδα, δηλαδή ότι πρόκειται για θειόλη.

Μοριακή δομή

Αν εξαιρεθεί το άτομο υδρογόνου της υδροθειομάδας, τα υπόλοιπα σχηματίζουν τετραεδρική δομή με το μεν άτομο του άνθρακα στο κέντρο και τα δε τρία (3) άτομα υδρογόνου καθώς και το άτομο του θείου στις κορυφές. Η γωνία C-S-Η πλησιάζει τη γωνία H-S-Η στο υδρόθειο.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp³-1s	109 pm	3% C- H+
C-S	σ	2sp³-3sp³	150 pm	1,5‰ C+ S-
S-H	σ	2sp³-1s	136 pm	3,6% H+ S-
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C	-0,0885
S	-0,0375
Η (C-H)	+0,03
Η (S-H)	+0,036

Φυσική παρουσία

Απελευθερώνεται, κατά την παραγωγή χαρτιού, ως παραπροϊόν της διεργασίας μετατροπής του ξύλου σε χαρτοπολτό. Κατά την παραγωγή του πολτού, η λιγνίνη αποπολυμερίζεται με πυρηνόφιλη προσβολή από το υδροθειούχο ανιόν (HS^-), που είναι ισχυρό πυρηνόφιλο, σε ένα πολύ αλκαλικό μέσο. Ωστόσο, με μια παράπλευρη αντίδραση, το υδροθειούχο ανιόν επιδρά επίσης στις μεθοξυομάδες (OCH₃) της λιγνίνης, απομεθυλιώνοντάς τες και παράγοντας ελεύθερες φαινολικές ομάδες (PhO^-) και απελευθερώνοντας μεθανοθειόλη. Εξαιτίας του βασικού περιβάλλοντος της διεργασίας η παραγώμενη μεθανοθειόλη γρήγορα αποπρωτονιώνεται, σχηματίζοντας μεθυλοθειούχο ανιόν (CH₃S^-), που είναι επίσης ισχυρό πυρηνόφιλο και αντιδρά περεταίρω, σχηματίζοντας διμεθυλοθειαιθέρα (DMS, Me₂S). Οι ενώσεις αυτές παραμένουν στο μαύρο υπόλειμμα και καίγονται στο λέβητα ανάκτησης, όπου οι θειούχες ενώσεις ανακτώνται με τη μορφή του θειούχου νατρίου (Na₂S).

Η μεθανοθειόλη απελευθερώνεται, ακόμη, από την αποσύνθεση οργανικής ύλης στα έλη και βρίσκεται στη λιθανθρακόπισσα, στο φυσικό αέριο και στο αργό πετρέλαιο ορισμένων περιοχών. Υπάρχει, επίσης, σε διάφορα φυτά, και ιδιαίτερα σε λαχανικά, όπως τα ρεπάνια.

Στο επιφανειακό θαλάσσιο νερό, η μεθανοθειόλη είναι ένα προϊόν αποσύνθεσης από άλγη του μεταβολίτη διμεθυλοσουλφωνιοπροπανικό οξύ [DMSP, (CH₃)₂S⁺CH₃CH₂COO^-]. Τα θαλάσσια βακτήρια φαίνεται ότι αποσυνθέτουν το πρωτεϊνικό θείο, αρχικά σε DMSP και τελικά σε μεθανοθειόλη. Ωστόσο, η συγκέντρωση μεθανοθειόλης στο θαλάσσιο νερό είναι σχετικά μικρή, συνήθως, μικρότερη από 300 μmole/lit. Αυτό συμβαίνει, γιατί άλλα βακτηρίδια μετατρέπουν τη μεθανοθειόλη σε διμεθυλοθειαιθέρα, αν και ο περισσότερος από τον τελευταίο παράγεται από άλλη ξεχωριστή μεταβολική οδό διάσπασης θειούχων οργανικών υλών. Τόσο η μεθανοθειόλη, όσο και ο διμεθυλοθειαιθέρας μεταβολίζονται επίσης από ορισμένα μικρόβια, σχηματίζοντας με τη σειρά τους μεθάνιο (CH₄) και υδρόθειο (H₂S), σε ανοξικές συνθήκες (δηλαδή σε συνθήκες σχετικής απουσίας οξυγόνου).

Η μεθανοθειόλη ως παραπροϊόν του μεταβολισμού των σπαραγγιών

Η μεθανοθειόλη είναι ένα παραπροϊόν του μεταβολισμού των σπαραγγιών. Η ικανότητα αυτή παραγωγής μεθανοθειόλης, που ανιχνεύεται στα ούρα, μετά την κατανάλωση σπαραγγιών θεωρούνταν κάποτε ότι είναι ένα γενετικό χαρακτηριστικό. Ωστόσο, πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι η ιδιαίτερη οσμή των ούρων, μετά την κατανάλωση σπαραγγιών, είναι στην πραγματικότητα ένα φαινόμενο που ισχύει για όλους τους ανθρώπους, ενώ η ικανότητα να ανιχνεύεται μεθανοθειόλη στα ούρα τους, μετά την κατανάλωση σπαραγγιών, είναι πράγματι ένα γενετικό χαρακτηριστικό (δηλαδή ορισμένων μόνο ανθρώπων). Τα χημικά χαρακτηριστικά που είναι υπεύθυνα για την αλλαγή της οσμής των ούρων φαίνονται 15 λεπτά μετά την κατανάλωση σπαραγγιών.

Παραγωγή

Βιομηχανική

Με επίδραση υδροθείου (H₂S) σε μεθανόλη (CH₃OH), παρουσία διοξειδίου του θορίου (ThO₂) ή άλλου στερεού όξινου (κατά Λιούις) καταλύτη, όπως η αλουμίνα (Al₂O₃), παράγεται μεθανοθειόλη:

$\mathrm {H_{2}S+CH_{3}OH{\xrightarrow[{\triangle }]{ThO_{2}\;{\acute {\eta }}\;Al_{2}O_{3}}}CH_{3}SH+H_{2}O}$

Εναλλακτικές μέθοδοι

Από αλομεθάνιο

Με επίδραση όξινου θειούχου καλίου (KHS) σε αλομεθάνιο (CH₃X) παράγεται μεθανοθειόλη:

$\mathrm {KHS+CH_{3}X{\xrightarrow {}}CH_{3}SH+KX}$

Η αντίδρσση αυτή, όμως, δεν είναι και τόσο αποτελεσματική, γιατί υπάρχει η ακόλουθη παράπλευρη αντίδραση, που ελαττώνει την απόδοση της παραπάνω:

$\mathrm {CH_{3}SH+CH_{3}X{\xrightarrow {}}(CH_{3})_{2}S+HX}$

Καλύτερα αποτελέσματα έχει η επίδραση θειουρίας [CS(NR₂)₂] και στη συνέχεια αλκαλική υδρόλυση του ενδιάμεσου προϊόντος:

$\mathrm {CH_{3}X+R_{2}NCSNR_{2}{\xrightarrow {}}[CH_{3}S(NR_{2})_{2}]X}$
$\mathrm {[CH_{3}S(NR_{2})_{2}]X+2NaOH{\xrightarrow {}}CH_{3}SNa+NaX+R_{2}NCONR_{2}+H_{2}O}$
$\mathrm {CH_{3}SNa+HCl{\xrightarrow {}}CH_{3}SH+NaCl}$

Μια άλλη δυνατότητα είναι η μετατροπή του αλομεθανίου πρώτα σε οργανομεταλλική ένωση, μετά επίδραση στοιχειακού θείου και τέλος υδρόλυση της μεθυλοθειομεταλλικής ένωσης που προκύπτει. Για παράδειγμα, με χρήση λιθίου, έχουμε:

$\mathrm {CH_{3}X+2Li{\xrightarrow[{-10^{o}C}]{|Et_{2}O|}}CH_{3}Li+LiX}$
$\mathrm {CH_{3}Li+S{\xrightarrow {}}CH_{3}SLi}$
$\mathrm {CH_{3}SLi+HCl{\xrightarrow {}}CH_{3}SH+LiCl}$

Από μεθυλένιο

Με επίδραση μεθυλενίου ([:CH₂], δηλαδή CH₃Cl + KOH ή με φωτόλυση CH₂N₂) σε υδρόθειο (H₂S), παράγεται μεθανοθειόλη:

$\mathrm {H_{2}S+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}CH_{3}SH+KCl+H_{2}O}$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Η μεθανοθειόλη αποτελεί αντιδραστήριο για την οργανική σύνθεση. Παρουσία υδροξειδίου του νατρίου (NaOH), δίνει ποσοτικά μεθυλοθειούχο ανιόν (MeS⁻), που αποτελεί ισχυρό πυρηνόφιλο.

Οξεοβασικές ιδιότητες

Όπως και οι άλλες θειόλες, συμπεριφέρεται πολύ παρόμοια με το υδρόθειο.

1. Η μεθανοθειόλη συμπεριφέρεται ως ασθενές οξύ, οπότε σχηματίζει μεθανοθειολικά άλατα (ή «μεθυλομερκαπτίδια») με βάσεις, όπως το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH):

$\mathrm {CH_{3}SH+NaOH{\xrightarrow {}}CH_{3}SNa+H_{2}O}$

2. Επίσης και με ορισμένα οξείδια, όπως και γενικότερα με ενώσεις που περιέχουν κατιόντα μεταβατικών μετάλλων, όπως ο υδράργυρος, ο χαλκός και το νικέλιο, σχηματίζουν τα αντίστοιχα μεθανοθειολικά :

$\mathrm {2CH_{3}SH+HgO{\xrightarrow {}}(CH_{3}S)_{2}Hg+H_{2}O}$

3. Το άχρωμο άλας της μεθανοθειόλης, το μεθανοθειολικό νάτριο μπορεί να ληφθεί και ως εξής:

$\mathrm {CH_{3}ONa+CH_{3}SH\xrightarrow {} CH_{3}SNa+CH_{3}OH}$

• Το ίδιο ισχύει, δηλαδή παραγωγή του αντίστοιχου μεθανοθειολικού άλατος, για επίδραση μεθανοθειόλης σε κάθε άλας ασθενέστερου οξέος από την ίδια τη μεθανοθειόλη.

Θειολεστέρες

Όπως οι αλκοόλες παράγουν εστέρες με οξέα, έτσι και οι θειόλες παράγουν θειολεστέρες με αυτά. Π.χ. με επίδραση καρβοξυλικών οξέων σε μεθανοθειόλη:

$\mathrm {CH_{3}SH+RCOOH{\xrightarrow {H^{+}}}RCOSCH_{3}+H_{2}O}$

Αντιδράσεις προσθήκης

Θειοκετάλες

Με επίδραση καρβονυλικών ενώσεων παράγονται θειοκετάλες:

$\mathrm {2CH_{3}SH+>C=O{\xrightarrow {H^{+}}}>C(SCH_{3})_{2}+H_{2}O}$

Προσθήκη σε οξιράνιο

Με επίδραση σε οξιράνιο παράγεται 2-μεθυλοθειαιθανόλη:

$\mathrm {+CH_{3}SH{\xrightarrow {}}CH_{3}SCH_{2}CH_{2}OH}$

Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις

Meθανοσουλφονικό οξύ

Η μεθανοδιόλη μπορεί να οξειδωθεί σχηματίζοντας μεθανοσουλφονικό οξύ (CH₃SO₃H), χρησιμοποιώντας ισχυρά οξειδωτικά μέσα.

Γενικά:

$\mathrm {CH_{3}SH+3|O|\xrightarrow {} CH_{3}SO_{3}H}$

Ειδικότερα παραδείγματα:

$\mathrm {CH_{3}SH+3HNO_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}SO_{3}H+3HNO_{2}}$
$\mathrm {CH_{3}SH+3HIO_{4}{\xrightarrow {}}CH_{3}SO_{3}H+3HIO_{3}}$

Παραγωγή δισουλφιδίου

Η επίδραση ασθενέστερων οξειδωτικών μέσων σε μεθανοθειόλη, όπως τριοξείδιο του σιδήρου (Fe₂O₃), το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H₂O₂), ή ο διχλωριούχος χαλκός (CuCl₂), παράγεται διμεθυλοδιθειαιθέρας:

Γενικά:

$\mathrm {2CH_{3}SH+|O|\xrightarrow {} CH_{3}SSCH_{3}+H_{2}O}$

Ειδικότερα παραδείγματα:

$\mathrm {2CH_{3}SH+Fe_{2}O_{3}\xrightarrow {} CH_{3}SSCH_{3}+2FeO+H_{2}O}$

$\mathrm {2CH_{3}SH+H_{2}O_{2}\xrightarrow {} CH_{3}SSCH_{3}+2H_{2}O}$

$\mathrm {2CH_{3}SH+2CuCl_{2}{\xrightarrow {}}CH_{3}SSCH_{3}+Cu_{2}Cl_{2}+2HCl}$

• Ο διμεθυλοδιθειαιθέρας είναι άοσμος, οπότε η αντίδραση ήπιας οξείδωσης μεθανοθειόλης, π.χ. από χλωρίνη, αξιοποιείται για την απομάκρυνση της οσμής της μεθανοθειόλης, όταν η οσμή αυτή είναι ανεπιθύμητη.
• Παραιτέρω οξείδωση του διθειαιθέρα παράγει μεθανοσουλφονικό οξύ:

$\mathrm {CH_{3}SSCH_{3}+5|O|+H_{2}O\xrightarrow {} 2CH_{3}SO_{3}H}$

Αποθείωση

1. Με επίδραση φωσφορώδη τριαιθυλεστέρα [(CH₃CH₂O)₃P] παράγεται μεθάνιο (CH₄):

$\mathrm {CH_{3}SH+(CH_{3}CH_{2}O)_{3}P{\xrightarrow {}}CH_{4}+(CH_{3}CH_{2}O)_{3}PS}$

2. Με επίδραση υδρογόνου και με καταλύτη νικέλιο (μέθοδος αποθείωσης Raney) παράγεται μεθάνιο (CH₄):

$\mathrm {CH_{3}SH+H_{2}{\xrightarrow {Ni\;(Raney)}}CH_{4}+H_{2}S}$

Επίδραση καρβενίων

Παρεμβολή καρβενίων, π.χ. με μεθυλενίου παράγονται αιθανοθειόλη και διμεθυλοθειαιθέρας:

$\mathrm {CH_{3}SH+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}{\frac {3}{4}}CH_{3}CH_{2}SH+{\frac {1}{4}}CH_{3}SCH_{3}+KCl+H_{2}O}$

Εφαρμογές

Η μεθανοθειόλη χρησιμοποιείται κυρίως για τη σύνθεση μεθειονίνης, που χρησιμοποιείται ως διαιτητικό πρόσθετο των πουλερικών και άλλων οικότροφων ζώων. Η μεθανοθειόλη χρησιμοποιήθηκε, επίσης, στις βιομηχανίες παραγωγής πλαστικού, καθώς και ως πρόδρομη ένωση ορισμένων εντομοκτόνων. Χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, παλιά σε ορυχεία: Σε περίπτωση κινδύνου, απελευθερώνονταν και η οσμή της αποτελούσε σημάδι συναγερμού για το προσωπικό. Επίσης, προστίθεται ως οσμοθέτης στο φυσικό αέριο, στο φωταέριο και στο υγραέριο, για να αποκτήσουν οσμή και να εντοπίζονται έτσι πιο εύκολα οι τυχόν διαρροές τους.

Ασφάλεια

Σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι πολύ τοξική, επηρεάζοντας το κεντρικό νευρικό σύστημα. Η διαπεραστική της οσμή παρέχει προειδοποίηση, αλλά μόνο όταν βρίσκεται ήδη σε επικίνδυνες συγκεντρώσεις. Ως ελάχιστο όριο ανίχνευσης της οσμής της αναφέρονται το 1 ppb. Στις ΗΠΑ το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο έκθεσης στη μεθανοθειόλη είναι 10 ppm.

Η μεθανοθειόλη εμπλάκηκε σε ένα θανατηφόρο δυστύχημα, που κόστησε τη ζωή σε τέσσερεις (4) εργαζόμενους, και τη νοσηλεία σε νοσοκομείο ενός πέμπτου, στις εγκαταστάσεις της εταιρείας DuPont στη Λα Πόρτε του Τέξας, κοντά στο Χιούστον, στις 15 Νοεμβρίου του 2014.

Πηγές πληροφόρησης

1. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
2. «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
3. Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
4. Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ Έκδοση, Θεσσαλονίκη 1991
5. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
6. Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
7. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986