Acido amino(immino)metansolfinico: sintesi, reattività e applicazioni

Buongiorno a tutti! Oggi vi presento questo composto, poco conosciuto e utilizzato, chiamato anche tiourea diossido o acido formamidinsolfinico (FSA), oltre al nome IUPAC consigliato di acido amino(immino)metansolfinico. INTRODUZIONE Come detto prima è poco utilizzato in laboratorio, tuttavia, presenta un importante ruolo nell'industria tessile date le sue proprietà riducenti che permettono di fissare sulle stoffe alcuni coloranti, come l'indaco. Anche se il nome tradizionale, tiourea diossido, potrebbe far pensare ad un composto senza particolari caratteristiche riducenti, tuttavia, in ambiente acquoso si presenta come un acido solfinico, il cui atomo di zolfo centrale presenta uno stato di ossidazione +2, mentre allo stato solido si presenta con la seguente forma zwitterionica, in cui la carica negativa è principalmente delocalizzata nella porzione solforata della molecola mentre quella positiva è sita nella parte azotata¹. Il legame tra carbonio e zolfo è singolo ed, anzi, è particolarmente allungato e questo fattore si rivelerà importane per definirne la reattività.

La preparazione di questo composto prevede l'ossidazione parziale dell'atomo di zolfo della tiourea tramite perossido di idrogeno. Questo processo prevede il trasferimento di quattro elettroni allo zolfo dando il prodotto desiderato

Passiamo ora alla preparazione pratica di questo composto! PREPARAZIONE I reattivi utilizzati sono 10g di tiourea e 29.79g di perossido di idrogeno al 30%. Anche se i componenti della reazione solo solo due la preparazione richiede particolare attenzione sia alle condizioni di pH che alla temperatura, infatti, una soluzione di tiourea, anche se debolmente acida, presenta un pH tale da permettere la decomposizione del prodotto (processo che verrà analizzato più avanti nella discussione), per questo motivo la temperatura deve essere mantenuta tra 0°C e 7°C. Un ulteriore problema è dovuto dal fatto che il prodotto ottenuto acidifica significativamente la miscela di reazione e se questa dovesse diminuire oltre 2 si avrebbero reazioni secondarie che comportano l'ossidazione parziale della tiourea con formazione di ponti disolfuro tra due molecole di tiourea²:

Questo fenomeno viene limitato utilizzando un eccesso di tiourea che permette sia di evitare la presenza di ossidante residuo che potrebbe attaccare il prodotto e, inoltre, garantisce che il pH resti in un intervallo adeguato tra 3 e 5. Si allestisce quindi un bagno di ghiaccio in cui viene posto il reattore, in questo caso una beuta da 100mL, al cui interno viene posta la tiourea seguita da 20mL di acqua distillata. Si attende fin che la sospensione di tiourea non sia entrata nel range di temperatura consigliata, utilizzando una termocoppia tipo K.

Si iniziano ora le aggiunte di perossido di idrogeno, queste vanno svolte con estrema cautela dato che la reazione è fortemente esotermica e addizioni troppo veloci possono facilmente causare superamento della temperatura consigliata. L'addizione di tutto il perossido richiede circa 3 ore, tempo dipendente anche dalla temperatura esterna. Infatti lavorando con una temperatura ambiente di circa 30°C la reazione richiede particolare attenzione e frequenti aggiunte di ghiaccio per tenere la reazione sotto controllo. Terminata l'ultima aggiunta si lascia per qualche minuto la miscela per assicurasi una reazione completa dei reagenti e si procede filtrando alla pompa il solido microcristallino ottenuto, questo viene lavato due volte con acqua fredda ed essiccato all'aria nel minor tempo possibile.

Il solido viene rapidamente chiuso in un recipiente ermetico per minimizzare il contatto con l'ossigeno atmosferico che ne causa l'ossidazione nel tempo, questo composto infatti va utilizzato relativamente subito dopo la preparazione per evitare l'ossidazione superficiale. Se si fosse in possesso di acido formamidinsolfinico(FSA) vecchio è sufficiente eseguire una ricristallizzazione per ottenere il prodotto puro. REATTIVITA' Come anticipato il composto ottenuto ha delle interessanti proprietà come riducente, infatti quando viene posto in ambiente basico il carbonio, che risulta particolarmente elettrofilo data la presenza dei molteplici eteroatomi, subisce rapidamente un attacco nucleofilo da parte di ioni idrossido. Questa reazione causa la scissione della molecola all'altezza del legame C-S producendo urea e acido diossosolforico (iposolforico) che si presenta ionizzato in seguito all'ambiente basico. In soluzioni aerobiche l'ossigeno disciolto in soluzione ossida, tramite una complicata serie di reazioni radicaliche, il centro di zolfo causandone la dimerizzazione dando lo ione ditionito che successivamente va incontro a ulteriore ossidazione da parte dell'ossigeno atmosferico dando lo ione triossosolfato, in cui lo stato di ossidazione dello zolfo è +4.

Questi sono gli ioni responsabili delle caratteristiche da riducente del nostro composto. Per effettuare un analisi dei questa proprietà (e per verificare se il prodotto ottenuto è effettivamente quello ricercato) si esegue un saggio con una soluzione di blu di metilene debolmente basificata da dell'idrossido di potassio. Il blu di metilene è uno degli indicatori RedOx più famosi ed era reperibile facilmente in tutte le farmacie viste le sue proprietà antisettiche, tuttavia recentemente è stato soppiantato da altri composti che danno meno irritazione alla pelle. Vengono testate anche altri composti, del fruttosio che, essendo uno zucchero riducente, da un risultato positivo; urea e tiourea dato che, se anch'essi per qualche motivo dessero un saggio positivo negherebbero la validità del saggio per il FSA; ed infine un controllo in bianco senza alcun composto.

   

Si può osservare come il blu di metilene passi alla forma ridotta, incolore, in presenza dello zucchero riducente e del FSA indicandone le proprietà riducenti. Tuttavia non garantisce assolutamente l'assenza di composti secondari, come l'urea, o di reagenti non reagiti, ovvero la tiourea. APPLICAZIONI Oltre ad essere un interessante composto riducente generico è anche un riducente specifico per il gruppo nitro di composti aromatici³. Questa reattività può rivelarsi molto utile se si considera il fatto che la maggior parte delle metodiche per ridurre il gruppo nitro aromatico ad amino richiedono ambiente acido per svolgere la reazione mentre il FSA lavora in condizioni debolmente basiche. Questa caratteristica si rivela particolarmente utile se il composto di interesse è poco solubile in ambiente acido mentre lo è in condizioni basiche. E' questo il caso della preparazione del luminol utilizzando come precursore il 5-nitro-2,3-diidro-1,4-ftalazindione che richiede una doppia deprotonazione per ottenere la forma solubile in acqua che poi può essere ridotta. In questa reazione si impiegano tre equivalenti di FSA che danno altrettanti ioni triossosolfato responsabili della riduzione del gruppo nitro a gruppo amino con lo scambio di sei elettroni:

PROCEDIMENTO Per questa riduzione si utilizzano 620 mg di 5-nitro-2,3-diidro-1,4-ftalazindione, 1,82g di acido formamidinsolfinico (in eccesso di 1eq), 2,2mL di soluzione di ammoniaca 14M e 4,7mL di acqua distillata.

Si introduce in una vial il precursore seguito da acqua e ammoniaca, subito si osserva la solubilizzazione del precursore dando una soluzione rosso intenso. Si procede introducendo il FSA che provoca immediatamente un cambiamento della colorazione della soluzione che diventa giallo-arancio. Dopo di che si riscalda su bagno ad acqua per 30min la sospensione, si osserva che questa diventa limpida e alla fine intorbidisce progressivamente dovuto alla rimozione dell'ammoniaca per evaporazione.

  

  

Alla fine della reazione si aggiusta il pH della soluzione, utilizzando acido solforico concentrato, fino a raggiungere un pH debolmente acido. E' consigliato l'utilizzo di acido acetico glaciale per questo procedimento dato che il sale di ammonio ottenuto è molto più solubile in acqua del solfato ed è più difficile andare a pH troppo bassi, cosa che causerebbe la solubilizzazione di parte del luminol. Il composto ottenuto, 500mg, è un solido giallo-ocra.

Per determinare se la riduzione abbia effettivamente avuto luogo si analizzano alcune proprietà classiche del luminol. In primo luogo si osserva la fluorescenza di una soluzione neutre del composto, utilizzando radiazione UV come luce eccitatrice, comparata al precursore e ad un campione con solo acqua:

Si osserva un importante fluorescenza della soluzione di prodotto mentre una minore fluorescenza è prodotta dal precursore, dovuta alla presenza del gruppo nitro che smorza l'emissione di fluorescenza. Un test ancora più indicativo è la reazione di chemiluminescenza ottenuta dissolvendo 180mg del prodotto in 100mL e addizionando 10mL di tale soluzione a 10mL di una soluzione ottenuta dissolvendo 1mL di perossido di idrogeno al 3% in 100mL di acqua distillata con una punta di spatola di rame solfato o esaferrocianuro(III) di potassio come catalizzatore metallico. Si osserva un'intensa e breve emissione luminosa nel blu tipica del luminol.

Spero che ricorderete questo composto esotico quando dovrete fare le vostre riduzioni! Un saluto, Carl

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BIBLIOGRAFIA 1]Detailed Mechanistic Studies into the Reactivities of Thiourea and Substituted Thiourea Oxoacids: Decompositions and Hydrolyses of Dioxides in Basic Media 2]US Patent 2,783,272 PRODUCTION OF FORMAMIDINESULFINIC ACID 3]Synthesis of 2-Aminomorphine and 2-Aminocodeine. Reduction of Aromatic Nitro Groups with Formamidinesulfinic Acid

bel lavoretto

Io ci provo a portare qualche sintesi sul forum, poi arrivi te con questi lavoroni e i miei cristallini inorganici sublimano

Grazie zodd e FLa! 

Volevo finire con qualcosa di particolare prima di prendermi un po' di tempo per fare la patente ( dopo anni che la sto rimandando )

Hey non ci sono mai abbastanza cristalli inorganici, non vedo l'ora di vederli

Un applauso per la serietà e la precisione in tutta la sintesi. Fa sempre piacere leggere questi lavori così ben fatti.

Ricordo di averlo visto in un corso avanzato di sintesi organica ma non ho approfondito l'argomento. Quindi grazie per la nuova e più profonda conoscenza acquisita.

Aspetto altre tue sintesi!

Grazie per i complimenti!  

Avrei tanto voluto scegliere anch'io un corso di sintesi alla triennale ma sarei andato in surpluss di corsi purtoppo, comunque ho presente che espongono tantissime vie sintetiche ed è altrettanto difficile ricordarle o approfondirle tutte, ma già conoscerne  l'esistenza da una quantità di "potere sintetico" al chimico da non sottovalutare!

Nella mia vecchia università io mi occupavo di sintesi organica/inorganica. Nel senso che facevo sintesi organica usando il cross-coupling e provavo catalizzatore vecchi e nuovi per le mie sintesi. Ho fatto qualche sintesi interessante e riportato in auge una sintesi degli anni 50 che tutti dicevano non funzionare... Invece funzionava. Sintetizzavi dei sassi ma siamo comunque riusciti a dimostrare che si poteva produrre un legante molto interessante. Peccato non aver potuto proseguire post laurea su quel filone.

Quei corsi di cui parlavo sopra li ho fatto alla magistrale.