싸이올

알킬(alkyl) 또는 아릴(aryl) 작용기에 SH 작용기가 결합된 유기 화합물을 싸이올(thiol; RSH)이라고 한다. 싸이올의 어원은 황을 뜻하는 그리스어 '싸이온(thion)'과 '알코올(alcohol)'의 합성어이다. 작용기로서 싸이올(SH)은 설프하이드릴(sulfhydryl) 작용기라고도 부른다. 알코올(ROH)의 산소가 황으로 치환된 화합물이라고 볼 수 있다. 분자 내에 우선순위가 더 높은 작용기가 있을 경우 SH 작용기는 머캅토(mercapto)라고 부른다. 대부분의 싸이올은 특유의 달걀 썩은 냄새 또는 마늘 냄새가 난다.

목차

싸이올의 구조: 싸이올은 sp³ 혼성 궤도 함수를 가지는 황을 중심으로 한쪽은 탄소와 결합하고 다른 한쪽은 수소와 결합하고 있으며, 황에 비공유 전자쌍 두 개가 있다. 싸이올(RSH) 화합물의 황은 알코올(ROH)의 산소에 비해 크기와 편극성(polarizability)이 더 크기 때문에, 일반적으로 싸이올의 친핵성(nucleophilicity)이 알코올보다 더 크다.

싸이올의 탄소-황 결합 길이는 180 피코미터(picometer; 10^-12 m)이며, 알코올의 탄소-수소 결합은 140 피코미터이다. 싸이올의 결합각 C-S-H는 메테인싸이올의 경우 100.3^o 이며, 알코올의 C-O-H 결합각은 이보다 더 큰 109^o 이다. 이러한 결합각 차이는 싸이올의 경우 황의 혼성궤도함수 중 p 오비탈 성격이 알코올의 산소일 때 보다 더 큰 것으로 설명할 수 있다. 싸이올은 극성 화합물이지만, 쌍극자 모멘트(dipole moment) 측면에서 알코올보다는 상대적으로 비극성이다.¹⁾

싸이올과 알코올의 구조(출처: 대한화학회)

싸이올의 산도 지수(pKa): 싸이올레이트(thiolate; RS^-)의 음전하는 크기가 큰 원소인 황에 잘 분산(delocalized)되어 있으며, 알콕사이드(alkoxide; RO^-) 보다 상대적으로 더 안정하다. 따라서, 싸이올은 산도 지수(pKa)가 알코올보다 더 낮으며, 양성자(proton; H⁺)를 잘 해리하는 더 강한 산이다. 예를 들어, 뷰탄올(butanol)의 산도 지수는 15인데 반해, 뷰테인싸이올(butanethiol)은 10.5로 훨씬 더 강한 산이다. 다시 말하면, 싸이올의 황-수소 결합은 알코올의 산소-수소 결합보다 더 약하다고 할 수 있다.

싸이올의 끓는점: 싸이올의 끓는점은 상응하는 알코올에 비해 훨씬 낮다. 물에 대한 용해도도 상대적으로 현저하게 낮다. 예를 들어, 에테인싸이올의 끓는점은 35 °C인 반면, 에탄올은 78 °C이다. 이의 주된 원인은 싸이올-싸이올 또는 싸이올-물 간에 수소 결합력이 매우 약하기 때문이다.

머캅탄: 유기화합물로서 싸이올은 머캅탄(mercaptan)이라고도 부르는데, 싸이올레이트(RS^-)가 수은과 매우 강한 결합을 하는 성질을 나타내는 라틴어 어원인 '수은을 잡는(mercurium captāns)'이라는 말에서 유래했다. 황은 편극성이 큰 상대적으로 소프트한 원소(soft atom)이기 때문에, 수은, 납, 카드뮴과 같은 소프트 금속과 결합을 잘 한다.

냄새: 분자량이 작은 대부분의 싸이올은 마늘 또는 달걀 썩는 냄새가 난다. 스컹크 방귀 냄새의 근원도 다음과 같은 저분자 싸이올 화합물이다: (E)-2-뷰텐-1-싸이올((E)-2-butene-1-thiol), 3-메틸-1-뷰테인싸이올(3-methyl-1-butanethiol), 2-퀴놀린메테인싸이올(2-quinolinemethanethiol).²⁾

싸이올(RSH)의 RH 구조에 해당하는 이름에 접미사 싸이올을 붙인다. 예를 들어, CH₃SH는 메테인싸이올(methanethiol)이라고 부른다. 또는, 메틸 머캅탄(methyl mercaptan)이라고도 명명한다. 화합물 내에 SH보다 우선 순위가 더 높은 치환기가 있을 경우, SH 작용기는 머캅토(mercapto)라고 부른다. 예를 들어, HSCH₂CH₂CO₂H 는 3-머캅토프로판산(3-mercaptopropanoic acid)라고 명명한다.

헤르츠(Herz) 반응: 독일 화학자 리차드 헤르츠(Richard Herz; 1867–1936)에 의해 개발된 반응으로, 이염화 이황(disulfur dichloride; S₂Cl₂)을 이용하여 아닐린의 2번 위치에 SH를 도입할 수 있다.

치환 반응: 친전자체(electrophile)인 알킬 할로젠화물(alkyl halide; RX)에 친핵체(nucleophile)인 소듐 하이드로설파이드(sodium hydrosulfide; NaSH)로 치환 반응을 하여 싸이올을 합성할 수 있다.

RX + NaSH → RSH + NaX (X = Cl, Br, I)

공업적 방법: 알코올에 황화 수소(hydrogen sulfide; H₂S)를 반응시켜 싸이올을 만들 수 있다.

CH₃OH + H₂S → CH₃SH + H₂O

싸이오유레아(thiourea) 이용 반용: 일차(primary) 알킬 할로젠화물과 싸이오유레아가 반응하면 아이소싸이오유로니움 염(isothiouronium salt)이 형성되며, 이를 가수분해하면 싸이올이 얻어지고, 부산물로 유레아가 형성된다. 이차(secondary) 또는 삼차(tertiary) 알킬 할로젠화물은 이 반응이 잘 일어나지 않는다.

CH₃CH₂CH₂Br + SC(NH₂)₂ → [CH₃CH₂CH₂SC(NH₂)₂]Br

[CH₃CH₂CH₂SC(NH₂)₂]Br + NaOH → CH₃CH₂CH₂SH + OC(NH₂)₂ + NaBr

싸이올-엔 반응(thiol-ene reaction): 알켄과 싸이올이 반응하여 알켄의 이중 결합에 수소와 싸이올이 첨가되는 반응이다. 라디칼 메커니즘으로 일어난다고 알려져 있으며, 이중 결합의 수소가 적게 치환된 탄소 쪽에 수소가 첨가되는 안티-마르코프니코프(anti-Markovnikov) 첨가 반응이 일어난다. 알켄 수소화싸이올화 반응(alkene hydrothiolation)이라고도 부른다.³⁾

R¹-SH + CH₂=CHR² --> R¹-S-CH₂CH₂R²

엘만 테스트(Ellman's test): 다이설파이드인 엘만 시약과 싸이올이 반응하면 하나의 2-나이트로-5-싸이오벤조에이트(2-nitro-5-thiobenzoate)가 생성되고, 이 화합물은 염기성이나 중성 산도에서 노란색을 띄게 되는데 이를 분광기로 측정하여 싸이올을 정량할 수 있는 테스트이다.⁴⁾

S-알킬화 반응(S-alkylation): 싸이올에 염기(base)를 가하여 강한 친핵체인 싸이올레이트(RS^-)를 생성하고, 여기에 알킬 할로젠화물과 같은 친전자체를 가하면 황에 알킬화 반응이 일어나 싸이오에터(thioether; R-S-R′)가 합성된다.

R-SH + base → R-S^- + R′-X → R-S-R′ (X = Cl, Br, I)

산화 반응: 싸이올은 브로민이나 아이오딘과 같은 산화제에 의해 이황화물(다이설파이드; disulfide)로 산화된다.

2 R–SH + Br₂ → R–S–S–R + 2 HBr

싸이올이 과산화 수소(hydrogen peroxide)와 반응할 경우 설폰산(sulfonic acid; RSO₃H)까지 산화된다.

R–SH + 3 H₂O₂ → RSO₃H + 3 H₂O

시스테인(cysteine): 20개의 아미노산 중 유일하게 싸이올 작용기를 가지고 있는 아미노산이다. 아크릴아마이드(acrylamide) 구조를 포함하는 비가역적 저해제(irreversible inhibitor) 약물은 단백질에 존재하는 시스테인의 싸이올과 반응하여 공유 결합을 형성하는 비가역적 작용기전을 가지고 있다.

글루타싸이온(glutathione): 시스테인을 중심으로, 한쪽에는 글루탐산(glutamic acid)의 감마(gamma) 위치에 있는 카복실산과, 다른 한 쪽에는 글라이신(glycine)의 아민과 펩타이드(peptide) 결합을 하고 있는 트라이펩타이드(tripeptide) 구조 화합물이다. 활성 산소(reactive oxygen species, ROS)를 중화시키는 항산화 효과를 가지고 있다.

싸이오페놀(thiophenol): 벤젠 고리에 싸이올(SH) 작용기가 도입된 화합물이다. 페놀(phenol; PhOH)의 산소가 황으로 치환된 구조를 가지고 있다.

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