Thiourea là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Cấu trúc hóa học và tính chất cơ bản

Thiourea, còn gọi là thiocarbamide, có công thức phân tử $CH_4N_2S$ và tên IUPAC là thiocarbamide. Phân tử bao gồm nhóm thiocarbonyl (C=S) liên kết với hai nhóm amino (-NH₂), tạo thành cấu trúc tương tự urea nhưng thay nguyên tử oxy bằng lưu huỳnh. Độ phân cực của liên kết C=S cùng khả năng tạo liên kết hydro với nhóm NH₂ khiến thiourea có các đặc tính hóa lý độc đáo.

Phân tử thiourea có khối lượng 76.12 g/mol, hình thái tinh thể trắng, dễ hút ẩm khi để ngoài không khí. Các liên kết N–H có khả năng tham gia mạng lưới liên kết hydro đa chiều, đóng góp vào điểm nóng chảy cao hơn so với các hợp chất tương đương không có nhóm NH₂. Mô hình điện tử cho thấy lưu huỳnh mang cặp electron tự do, khiến thiourea có tính nucleophile mạnh và khả năng phối trí với ion kim loại.

• Khối lượng phân tử: 76.12 g/mol
• Cấu trúc: NH₂–C(=S)–NH₂
• Tính phân cực: log P ≈ –1.00 (ưa nước)
• Tạo liên kết hydro mạnh qua hai nhóm NH₂

Tham khảo chi tiết: PubChem – Thiourea

Phương pháp tổng hợp và điều chế

Quy trình công nghiệp chủ yếu sản xuất thiourea bằng phản ứng giữa hydrogen sulfide (H₂S) và cyanamide (NH₂CN) ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trung bình. Cyanamide phản ứng với H₂S qua cơ chế nucleophilic, tạo ra thiourea và amoniac như sản phẩm phụ. Phương pháp này cho hiệu suất cao và có thể thu hồi H₂S dư để tái sử dụng.

Trong phòng thí nghiệm, thiourea thường được điều chế qua amin hóa carbon disulfide (CS₂) với amoniac hoặc các amin cấp 1/2. Cụ thể, CS₂ phản ứng với NH₃ tạo ra ammonium dithiocarbamate, sau đó nhiệt phân ở 70–90 °C để chuyển thành thiourea. Phản ứng yêu cầu môi trường kiềm nhẹ (pH ~8–9) và khuấy trộn liên tục để tăng tốc độ chuyển hóa.

• Phương pháp công nghiệp: H₂S + NH₂CN → CH₄N₂S + NH₃
• Phòng thí nghiệm: CS₂ + 2 NH₃ → (NH₄)⁺[CS₂NH₂]⁻ → CH₄N₂S
• Điều kiện: pH 8–9, nhiệt độ 20–90 °C

Tham khảo quy trình: ACS Education – Thiourea Synthesis

Tính chất vật lý – hóa học

Thiourea có điểm nóng chảy cao 176–178 °C và không có điểm sôi rõ rệt vì phân hủy trước khi sôi. Dưới nhiệt độ cao, thiourea phân hủy tạo ra khí NH₃, CS₂ và polymer chứa lưu huỳnh. Khả năng tạo liên kết hydro từ hai nhóm NH₂ dẫn đến cấu trúc tinh thể ổn định, khó bay hơi và tồn tại dạng rắn ở điều kiện phòng.

Về phản ứng hóa học, lưu huỳnh trong thiourea dễ bị oxy hóa thành sulfoxide và sulfone, trong khi nhóm NH₂ có thể tham gia phản ứng acyl hóa và alkyl hóa. Thiourea cũng là chất khử mạnh, chuyển Fe(III) thành Fe(II) trong môi trường axit, và tạo phức với bạc trong “silver mirror test” để định tính aldehyde.

Ứng dụng công nghiệp

Trong ngành dệt và nhuộm, thiourea được dùng làm chất trợ dung để ổn định màu và điều chỉnh kích thước hạt thuốc nhuộm. Khi thêm thiourea, quy trình nhuộm cotton và len đạt độ bền màu cao hơn nhờ khả năng chelation với kim loại phụ gia và ngăn chặn quá trình oxy hóa thuốc nhuộm.

Thiourea cũng là thành phần quan trọng trong công nghiệp kim loại, sử dụng làm chất ức chế ăn mòn cho hệ thống nước mát và dầu thủy lực. Nhờ khả năng tạo phức bền với ion sắt và đồng, thiourea ngăn cản sự hình thành màng oxy hóa trên bề mặt kim loại, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

• Hỗ trợ nhuộm vải: tăng độ bền màu và ổn định thuốc nhuộm.
• Ức chế ăn mòn: hệ thống làm mát, dầu thủy lực.
• Trung gian tổng hợp: dược phẩm chứa lưu huỳnh, phân bón.

Ứng dụng trong phân tích hóa học

Thiourea thường được sử dụng làm thuốc thử định tính và định lượng trong các phương pháp sắc ký và quang phổ. Trong “silver mirror test”, thiourea khử ion Ag+ thành bạc kim loại (Ag0), tạo lớp gương bạc trên thành ống nghiệm, phản ứng nhạy với aldehyde và được ứng dụng để phát hiện nhóm –CHO trong mẫu hữu cơ. Định tính đơn giản, cho kết quả rõ ràng bằng mắt thường.

Trong sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp đo hấp thụ UV (HPLC-UV), thiourea được phân tích sau khi tạo phức với các ion kim loại như Cu2+ hoặc Hg2+, tăng hấp thụ ở bước sóng đặc trưng 230–250 nm. Phương pháp này cho phép định lượng thiourea trong dược phẩm, mẫu môi trường và sinh phẩm sinh học với độ chính xác cao (RSD < 2%). Đối với mẫu yêu cầu độ nhạy cao, GC–MS sau bước derivatization (silylation) cho giới hạn phát hiện ngưỡng ngàn ngưỡng ngưỡng ppb.

• Silver mirror test: định tính aldehyde, tạo gương bạc.
• HPLC-UV: phức kim loại, LOD ≈ 0.1 mg/L.
• GC–MS: derivatization silylation, LOD ≈ 0.01 mg/L.

Tham khảo phương pháp phân tích và ứng dụng: ACS Education – Thiourea Synthesis

Ứng dụng trong nông nghiệp và sinh học

Thiourea được nghiên cứu như chất ức chế nitrification trong đất, làm chậm quá trình chuyển NH₄+ thành NO₃– do vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, nhờ đó nitơ tồn tại dưới dạng amoni kéo dài hơn, tăng hiệu suất sử dụng phân bón. Ứng dụng này giúp giảm thất thoát nitơ qua rửa trôi, cải thiện năng suất cây trồng và giảm ô nhiễm nitrat trong nước ngầm.

Trong sinh học thực vật, nồng độ thấp thiourea kích thích phân chia tế bào và tổng hợp hormone thực vật (auxin, cytokinin), thúc đẩy nở hoa, tăng tỷ lệ đậu quả và kéo dài tuổi thọ lá. Trong nuôi cấy mô, bổ sung 0.1–0.5 mM thiourea vào môi trường MS giúp tăng tỉ lệ sinh mầm và nhân nhanh chồi trong các loài cây quý hiếm.

• Ức chế nitrification: giảm thất thoát nitơ, tăng hiệu suất phân bón.
• Chất điều hòa sinh trưởng: kích thích phân chia tế bào, nở hoa.
• Nuôi cấy mô: tăng tỉ lệ sinh mầm, nhân giống nhanh.

Tham khảo thông tin: ScienceDirect – Thiourea

Độc tính và các vấn đề an toàn

Thiourea có độc tính cấp tính tương đối cao, LD50 ở chuột khoảng 110 mg/kg (uống). Tiếp xúc lâu dài hoặc nồng độ cao có thể gây rối loạn tuyến giáp do ức chế enzyme peroxidase, làm giảm tổng hợp hormone T₃ và T₄, dẫn đến bướu giáp và rối loạn chuyển hóa iod. Việc hít phải bụi hoặc tiếp xúc da có thể gây kích ứng niêm mạc, viêm da và mẩn ngứa.

Theo IARC, thiourea được xếp vào Nhóm 3 (không đủ bằng chứng về khả năng gây ung thư ở người), tuy nhiên các nghiên cứu trên động vật chỉ ra tác dụng đột biến và ung thư tuyến giáp ở liều cao. Quy định OSHA yêu cầu giới hạn phơi nhiễm nghề nghiệp (PEL) không quá 0.5 mg/m3 trong không khí, đeo khẩu trang và găng tay bảo hộ khi xử lý.

• LD50 (chuột) ≈ 110 mg/kg (uống).
• Ức chế peroxidase giáp, gây bướu giáp.
• IARC nhóm 3: không đủ bằng chứng gây ung thư ở người.
• OSHA PEL ≤ 0.5 mg/m3, đeo PPE khi thao tác.

Chi tiết an toàn và độc tính: IARC Monographs – Thiourea

Hướng nghiên cứu và ứng dụng tương lai

Nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển dẫn xuất thiourea để làm cơ chất trong xúc tác bất đối xứng, tận dụng khả năng tạo liên kết hydro với cơ chất để tăng chọn lọc quang học. Các thiourea hữu cơ này đã ứng dụng thành công trong tổng hợp các hợp chất tự nhiên và dược phẩm, mở rộng khả năng điều chế chủ động sinh học.

Các hướng xanh hóa học đang khám phá sử dụng thiourea trong tổng hợp siêu phân tử, polymer chức năng và vật liệu điện tử hữu cơ. Ví dụ, thiourea có thể đóng vai trò ligand cho ion kim loại trong khung kim loại– hữu cơ (MOFs), ứng dụng lưu trữ khí hoặc xúc tác oxy hóa khử, kết hợp tính linh hoạt cấu trúc với tính năng hấp phụ cao.

• Xúc tác bất đối xứng: tăng tính chọn lọc quang học của phản ứng.
• Siêu phân tử và MOFs: ligand cho ion kim loại, ứng dụng lưu trữ khí.
• Polymer chức năng: vật liệu điện tử hữu cơ, màng cảm biến.

Tham khảo nghiên cứu mới: ACS Catalysis – Thiourea Catalysts

Tài liệu tham khảo

1. PubChem. “Thiourea.” NCBI. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/thiourea
2. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Volume 73: Re-Evaluation of Some Organic Chemicals. 1999. https://monographs.iarc.who.int/wp-content/uploads/2018/06/mono73-13.pdf
3. ACS Education. “Thiourea in Organic Synthesis.” J. Chem. Educ. 2007;84(1):B69–B72. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ed084pB69
4. ScienceDirect. “Thiourea.” https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/thiourea
5. OSHA. “Permissible Exposure Limits (PELs).” https://www.osha.gov/chemicaldata/chemResult.html?recNo=128
6. ACS Catalysis. “Thiourea Organocatalysts.” ACS Catal. 2014;4(4):1145–1151. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cs500646a