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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATAFACULTAD DE CS. AGRARIAS Y FORESTALESCURSO DE QUIMICA ORGANICA
COMPUESTOS HETEROCICLICOS
Se llama compuestos heterocíclicos a aquellos que, además de carbono e hidrógeno, poseen al menos un átomo de otro elemento (denominado heteroátomo) formando parte del anillo. Los más comunes son los heterociclos con anillos de 5 o 6 átomos y donde uno o más átomos de carbono están sustituídos por átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre. Estos compuestos abundan en la naturaleza y son muy estables: sus anillos están casi libres de tensión.
Se clasifican en dos grupos: alifáticos y aromáticos. Los compuestos alifáticos poseen las propiedades físicas y químicas típicas del heteroátomo específico que incorporan. Por ejemplo
En los heterociclos aromáticos un orbital p del heteroátomo contiene uno o dos (según el caso) electrones no compartidos que se superponen con los orbitales p de los átomos de carbono formando una nube de 6 electrones por encima y debajo del anillo. Ejemplos:
Pirrol Furano Tiofeno Piridina
Heterociclos aromáticos de 5 átomos
En estos compuestos, al existir seis electrones en el sistema aromático, pues el heteroátomo contribuye con un par de electrones al sistema, y al estar formado el ciclo por un total de 5 átomos, se obtiene en los átomos de carbono una cantidad promedio de electrones mayor que la correspondiente al benceno (al que le corresponde uno). Estos heterociclos se denominan compuestos aromáticos excesivos. Por ello son más reactivos que el benceno frente a la SEA.
1
Tetrahidrofurano (es un éter)
Pirrolidina Piperidina (son aminas secundarias)
O NH N
H
NH
O S N
Pirrol: Su átomo de nitrógeno, al igual que los átomos de carbono, posee una hibridación sp2 con dos electrones en el orbital p, los cuales forman un sexteto aromático con los cuatro electrones p de los carbonos. Debido a que el par de electrones del nitrógeno interviene en el anillo aromático, no están disponibles para intervenir las reacciones químicas y también por eso el pirrol es una base extremadamente debil.
Los compuestos del pirrol son comunes en los sistemas biológicos. Uno de los más importantes es una estructura cíclica en la que cuatro unidades de pirrol se unen por puentes ( = CH – ). Tales sustancias se denominan porfirinas y son importantes pues se relacionan con el grupo hemo de la sangre y la clorofila de las plantas. Las porfirinas son derivados de la porfina:
Estructura de la porfina
En cuanto a la sustitución del anillo en la SEA, deben analizarse la sustitución en todas las posiciones posibles:
Sustitución en el carbono 2:
Sustitución en el carbono 3:
De esta manera, la carga del ión intermedio resulta deslocalizada en mayor número de posiciones cuando la sustitución se produce en el carbono 2 que cuando ocurre en el carbono 3, resultando entonces más estable el ión intermedio correspondiente al carbono 2. Por ello la SEA generalmente ocurre en la posición 2.
Furano: Es el análogo oxigenado del pirrol. En este caso el oxígeno posee un segundo par de electrones no compartido que ocupa un orbital sp2, perpendicular al
2
N
N H NH
N
+
+
+
HN
H
E NH
E
HN E
H
NH
H
ENH
+ E+
++NH
E
NH
E
H
NH
E
H
+ E+NH
sistema del anillo. El anillo del furano aparece en compuestos naturales, como las furoquinolinas (una clase de alcaloides de rutáceas) y las furocumarinas. A compuestos de este último tipo se debe la toxicidad del perejil para los conejos.El derivado más importante del furano es el furfural. Este aldehído se obtiene por la deshidratación con H2SO4 de las pentosas (presentes en el salvado, la cáscara de avena o el marlo del maíz, constituídos en gran medida por pentosanos).
Pentosanos
Pentosa Furfural
Heterociclos aromáticos de 6 átomos
Estos heterociclos tienen los seis electrones del sistema , deslocalizados en los 6 átomos del ciclo, pero como el heteroátomo es más electronegativo que el carbono, deja en los mismos una densidad electrónica menor que en la correspondiente a los carbonos del benceno. A estos heterociclos se los llama compuestos aromáticos deficientes. Es también por ello que tienen el anillo desactivado para una SEA.
Piridina: Es un análogo del benceno en el que uno de los átomos de carbono se sustituye por un nitrógeno. Este átomo tiene hibridación sp2, por lo que posee un electrón en un orbital p, que conforma el sexteto aromático con los cinco electrones de los orbitales p de los carbonos. Pero el nitrógeno posee además un par de electrones ubicados en un orbital sp2 (que no participa del sistema ), lo que le confiere a la piridina propiedades básicas comparables a la anilina.
La sustitución predominante en la piridina ocurre en la posición 3, lo cual puede explicarse si se comparan las sustituciones en todas las posiciones del anillo:
Sustitución en el carbono 2:
La tercera estructura de resonancia presenta la carga positiva sobre un átomo electronegativa que además tiene el octeto incompleto. Por eso esta estructura resulta tan inestables que contribuye en muy baja medida. En consecuencia no no se considera la segunda estructura de resonancia tiene iguales características que la discutida más arriba; la consecuencia es la misma, es decir, se desprecia también. El ataque electrófilo será menos probable en esas posiciones que en la posición 3, que no presenta ese tipo de estructura contribuyente.
3
H2SO4H2O / H+
OC
H
OOCH2OH
OH
OH
OH
+
N
E
H
+
+N
E
H
+ E+
N EN
E
HN
Sustitución en el carbono 3:
Sustitución en el carbono 4:
En comparación con el ión intermedio ("complejo sigma") producido por el benceno, los tres producidos por la piridina están desestabilizados por el efecto inductivo del nitrógeno (por eso el anillo está desactivado).
Otra justificación, menos rigurosa que la anterior, está dada por la siguiente formulación:
Entre los compuestos más importantes relacionados a piridina se encuentran la pirimidina y algunas bases llamadas pirimídicas, que forman parte de los ácidos nucleicos: citosina, timina y uracilo.
Pirimidina Citosina Uracilo Timina
Heterociclos bicíclicos
También existen compuestos heterocíclicos bicíclicos, que resultan de la condensación de un heterociclo con otro anillo (posea heteroátomo o no). Los ejemplos más comunes son:
4
+
++N
E
H
N
E
H
N N
E
H
N
E
+ E+
+ +
+N
E H
N
E H
N N
E H
N
E
+ E+
+
+ +
-- -N NNNN
N
N
N
N
NH2
O
H
N
N
H
O
OH
N
NCH3
O
O
H
H
Indol Benzofurano Quinolina Isoquinolina
Otro compuesto muy importante que posee dos heterociclos condensados es la purina:
Purina
Entre los compuestos purínicos más relevantes se encuentran las bases (llamadas "púricas") adenina y guanina (presentes en los ácidos nucleicos).
Adenina Guanina
Otros compuestos purínicos de interés son el ácido úrico (presente en la sangre y orina) y los alcaloides cafeína, teobromina y teofilina.
Otros compuestos heterocíclicos que presentan un anillo de 6 átomos, con oxígeno como heteroátomo, son las antocianinas, presentes en los pétalos de flores rojas, violetas o azules y en el pericarpio coloreado de varios frutos (cerezas, uvas). Son colorantes naturales vegetales derivados de la flavona:
Flavona Antocianina (glc = glucosilo)
5
N
N
N
N
H
NH
O NN
N
N
N
N
H
NH2
N
N
HN
N
H
H2N
O
O
O
+O
O-Glc
O-Glc
O-GlcO-Glc
Glc-O
Otros ejemplos de compuestos heterocíclicos oxigenados son algunos colorantes que se encuentran en las cortezas; como la quercitrina, presente en la corteza del roble y el nogal, que es un glucósido cuya aglicona es la quercetina.
Quercetina
Lic. Diego M. Ruiz
Bibliografía:
- H. Hart; D. J. Hart, L. E. Craine, “Quimica Orgánica”, McGraw-Hill Interamericana, 5ta ed. , México, 1995.
- A. Streitwieser, y C. Heathcock; “Química Orgánica”; McGraw Hill; Méjico, 1989.- C. Noller; “Química de los Compuestos Orgánicos”; Editorial Médico-Quirúrgica;
Buenos Aires; 1961.
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O
OOH
HO
OH
OH
OH
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATAFACULTAD DE CS. AGRARIAS Y FORESTALESCURSO DE QUIMICA ORGANICA
MOLECULAS DE INTERES BIOLOGICO
ACIDOS NUCLEICOS - ALCALOIDES
ACIDOS NUCLEICOS
Son biomoléculas importantes que desempeñan un papel crucial en el almacenaje de la información genética y en la biosíntesis de las proteínas. Químicamente son polinucleótidos, es decir que están constituídos por unidades llamadas nucleótidos, los cuales están conformados por una unidad de fosfato unida a un nucleósido (esto es, un monosacárido y una base heterocíclica).
Si el azúcar es la D-ribosa, el ácido nucleico recibe el nombre de ácido ribonucleico (ARN). Si se trata de la 2-desoxi-D-ribosa el ácido se llama desoxirribonucleico (ADN).
Ribosa 2-desoxirribosa
Las bases heterocíclicas pueden ser púricas (adenina o guanina) o pirimídicas (citosina y timina; esta última es reemplazada por el uracilo en el ARN).
El producto de la unión entre la pentosa y la base, como ya se mencionó, es denominado nucleósido. Los nucleósidos reciben sus nombres derivados del nombre de c/u de las bases heterocíclicas: citidina, adenosina, guanosina y uridina (para el ARN). En el caso de que el azúcar sea la 2-desoxirribosa (o sea en el ADN) los nucleósidos van acompañados por el prefijo 2-desoxi: 2-desoxicitidina, 2-desoxitimidina, 2-desoxiadenosina y 2-desoxiguanosina.
2-desoxiadenosina
7
Tanto la D-ribosa como la 2-desoxi-D-ribosa poseen estructura furanósica
O OH
HH
OH
H
OH
CH2
H
HOO OH
HHH
OH
CH2
H
HO
H
O
HHH
OH
CH2
H
HO
H
N
N
N
N
NH2
En un nucleótido el grupo hidroxilo del carbono 5' del azúcar se encuentra esterificado con ácido fosfórico:
citosina 5'-monofosfato (CMP)
La unión entre nucleótidos se produce mediante la formación de un pester entre el ácido fosfórico de un nucleótido con el hidroxilo del carbono 3' del azúcar del otro nucleotido. Dicha unión recibe el nombre de enlace fosfodiéster. A modo de ejemplo se reproduce un segmento de una cadena del ADN:
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O N
HHH
OH
CH2
H
O
OH
N
O
NH2
P-O
O
O-
enlacefosfodiéster
enlacefosfodiéster
enlacefosfodiéster
Unidad de desoxiguanosina 5' monofosfato = dGMP
Unidad de desoxicitidina 5' monofosfato = dCMP
Unidad de desoxiadenosina 5' monofosfato = dAMP
Unidad de desoxicitimina 5' monofosfato = dTMP
O
HHH
CH2
H
O
P OHO
O
N
N
NH2
O
H
O
HHH
CH2
H
O
P OHO
O
N
NH
O
O
CH3
H
O N
HHH
O
CH2
H
N
N
NH
O
P OHO
O
PHO O
O
O
NH2
H
O N
HHH
CH2
H
N
N
N
NH2
O
P OHO
O
H
Los ácidos nucleicos son los depositarios a nivel molecular de la información genética. La estructura primaria de un ácido nucleico es la secuencia de nucleótidos. En cuanto a su estructura secundaria, el ADN es una doble hélice en la que las dos cadenas de nucleótidos se mantienen unidas por puentes de hidrógeno entre pares de bases enfrentadas. La geometría es tal que la adenina forma 2 puentes de hidrógeno con la timina y la guanina forma 3 puentes con la citosina:
En el ARN (en el cual el azúcar es la ribosa entre las bases pirimídicas se encuentra el uracilo en vez de timina) las moléculas suelen estar formadas por cadenas únicas de polinucleótidos con estructuras bastante irregulares.
Otro nucleótido de interés es trifosfato de adenosina (ATP), que es un agente biológico fosforilante; su molécula pierde un grupo fosfato, tranformándose en difosfato de adenosina (ADP):
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ATPADP
+ RCH2OHO N
HHH
OH
CH2
H
O
OH
N
N
N
NH2
P
O
O-
OP
O
O-
OP
O
-O
O-+
O
P O-O
O-
CH2R
O N
HHH
OH
CH2
H
O
OH
N
N
N
NH2
P
O
O-
OP
O
O-
-O
ALCALOIDES
Este tipo de sustancias se define generalmente como metabolitos secundarios. Son en su mayoría productos vegetales nitrogenados, generalmente básicos, que poseen una marcada acción fisiológica sobre organismos animales. Sin embargo, bajo ese nombre se incluyen algunos compuestos aunque no cumplen con esas condiciones.
Si bien no están unicamente presentes en vegetales, su función en los organismos que los biosintetizan parece ser de defensa contra predadores.Resulta difícil realizar una clasificación completa y general, por lo cual existen diferentes clasificaciones. Una forma de clasificarlos es a partir de su estructura básica:
Alcaloides Piridínicos: Derivan de la piridina
Alcaloides Piperidínicos: Derivan de la piperidina
Alcaloides Quinolínicos: Derivan de la quinolina (o quinoleína)
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Estructura Base
PiridinaEjemplo: Nicotina
Se extrae de la planta del Tabaco (Nicotiana tabacum)
Estructura Base
Piperidina
Ejemplos: Coniina
Es el principio venenoso de la Cicuta (Conium maculatum)
Piperina
Es el alcaloide presente en la Pimienta Negra (Piper nigrum)
Estructura Base
Quinolina
Ejemplo: Quinina
Se extrae del árbol de la quina (Cinchona officinalis)
N
N
H
N
HCH3
O
O
O
N
N
NH
HO
CH3O
N
Alcaloides Isoquinolínicos: Derivan de la isoquinolina
Un derivado importante (aunque artificial) de la morfina, es su diacetato, más conocido como Heroína:
Alcaloides Indólicos: Derivan del Indol
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Estructura Base
Isoquinolina
Ejemplos: Papaverina
Es un antiespasmódico presente en el opio, un látex seco de especies de amapola (Papaver somniferum).
Morfina
Estructura BaseIndol
Ejemplos: Estricnina
Está presente en la Strychnos nux-vomica
Amida del ácido lisérgico (LSD)
N
N
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
ON
HO
HO
CH3
ON CH3
O
O
CH3
O
O
CH3
N
H
N
O
O
N
N
NO
CH3
NH
CH3
CH3
Alcaloides Purínicos: Derivan de la Purina.
Alcaloides derivados del tropano:
Alcaloides que son Aminas Simples:
Alcaloides que son sales de amonio cuaternarias:
Alcaloides que son Amidas Simples:
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Estructura Base
Purina
Ejemplos: Cafeína
Alcaloide presente en la planta del Té, el café, la yerba mate. Las bebidas cola la contienen.
Teobromina
Está presente en el Cacao (Theobroma cacao); debido a ella el chocolate produce adicción.
Estructura Base
Tropano
Ejemplo: Cocaína
Se extrae de la planta de Coca (Erytroxylon coca)
Ejemplo: Mescalina
Se extrae de un cactus del desierto mejicano (Lopophora williamsii)
Ejemplo: Curare
Es un enérgico paralizante del sistema nervioso central. Es utilizado por los indígenas de la Amazonia para envenenar las puntas de flechas para la caza. Actúa al ser distribuido por el torrente sanguíneo.
N
N N
N
H
N
N N
N
O
O
CH3
CH3
CH3
N
N N
N
O
O
CH3
CH3
H
N
O
O
O
O
CH3
CH3
NH2
CH3O
CH3OOCH3
NO
O
N
OH
CH3O
HOCH3
CH3
CH3
CH3
OCH3
Cl
Cl
Cabe aclarar que dentro de la clasificación de alcaloides, también se incluyen algunas sustancias que no poseen nitrógeno, pero que tienen una acción fisiológica o una estructura molecular similar; por ejemplo la sustancia activa de la resina de la flor del cáñamo índico (Cannabis sativa), conocida como Hashish, es el THC (9-tetrahidrocannabinol), que no posee nitrógeno, pero por su acción fisica y neurológica es considerado un alcaloide:
Otra forma de clasificar a los alcaloides es según la familia de los vegetales en los que están presentes; por ejemplo de apocináceas, de rutáceas, de solanáceas, de papaveréceas, etc.
Lic. Diego M. Ruiz
Bibliografía:
- A. Streitwieser, y C. Heathcock; “Química Orgánica”; McGraw Hill; Méjico, 1989.- H. Hart; D. J. Hart, L. E. Craine, “Quimica Orgánica”, McGraw-Hill
Interamericana, 5ta ed. , México, 1995. - C. Noller; “Química de los Compuestos Orgánicos”; Editorial Médico-Quirúrgica;
Buenos Aires; 1961.
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Ejemplo: Capsaicina
Es el principio picante del Ají, el pimiento rojo (Capsicum fastigatum) y el Pimentón (Capsicum annuum)
HO NH
O
CH3
CH3
CH3O
CH3
CH3CH3
HO
Trabajo Practico N° 12
COMPUESTOS HETEROCICLICOS, ALCALOIDES Y ACIDOS NUCLEICOS
Cuestionario
Bibliografía:.-H. Hart; D. J. Hart, L. E. Craine, “Quimica orgánica”, McGraw-Hill Interamericana, 5ta ed. 1995, México - Guía de Trabajos Prácticos - Clases teóricas.
1) a) Dibuje las estructuras de pirrol, de furano y de tiofeno.b) Explique por qué se los denomina 'compuestos excesivos'.c) Determine, usando fórmulas de resonancia, si son más o menos activados que el benceno, para reacciones de SEA.d) Explique por qué el pirrol es una base extremadamente débil, y no se protona en el N. e) Explique por qué el pirrol es un ácido débil.
2) a) Dibuje las estructuras de piridina y pirimidina.b) Explique por qué se los denomina 'compuestos deficientes'.c) Determine, usando fórmulas de resonancia, si son más o menos activados que el benceno, para reacciones de SEA.d) Explique por qué son bases más fuertes que el pirrol, y se protonan sobre N.
3) a) Dibuje la estructura de purina. Numere sus posiciones.b) Determine si sus anillos son deficientes o excesivos.c) Determine si todos los átomos de N de purina son centros básicos, y si en esa molécula existe algún centro ácido.
4) a) Dibuje las estructuras de las tres bases pirimídicas y de las dos bases púricas. Asígneles sus nombres.b) Dibuje las estructuras de cada par de bases (pirimídica - púrica) de modo que estén enfrentadas, mostrando cómo se establecen los enlaces de hidrógeno entre ellas.
5) a) Formule la formación de un nucleósido, a partir de una base pirimídica y desoxirribosa. Señale el C-2 de la desoxirribosa.b) Formule la formación de adenosina 5'-monofosfato (AMP).c) Formule el dinucleótido dAMP-dCMP. Señale el enlace fosfodiéster.d) Qué diferencias principales existen, a nivel de estructuras, entre ADN y ARN?
6) a) Dibuje la estructura de la porfina. Explique cómo un ión metálico puede coordinarse con los átomos de N de esta molécula.b) Dibuje la estructura de una clorofila. Cuál es el ión central?
7) a) Qué características generales presentan las estructuras de los alcaloides (terciarios o cuaternarios)?b) Qué propiedades tienen en general los alcaloides?
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c) Cuál es el probable rol de los alcaloides en las especies vegetales? Y en especies animales?
9) a) Dibuje la estructura de la nicotina (de Nicotiana tabacum). A qué clase de alcaloide pertenece?
b) Dibuje la estructura de la cocaína (de Erithroxylon coca). A qué clase pertenece?c) Dibuje la estructura de la cafeína (de Thea sinensis). A qué clase pertenece?d) Dibuje la estructura de la papaverina (de Papaver somniferum). A qué clase pertenece?e) Dibuje la estructura de la coniína (de Conium maculatum). A qué clase de alcaloide pertenece?
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Quimica Orgánica
Compuestos Heterocíclicos -- Ejercicios Adicionales
1) El Picloram es un herbicida que posee la siguiente estructura:
Para dicho compuesto: a) Indicar qué tipo de esqueleto heterocíclico posee.b) Determinar si su anillo aromático es deficiente o excesivo.c) Identificar los centros ácidos y básicos de la molécula.d) Calcular el número de oxidación de todos los átomos de nitrógeno.e) Representar sus reacciones frente a:
i) metanol (en medio ácido)ii) ácido acético(en caliente)
f) Representar los dos productos posibles de su reacción frente a la alanina.
2) El ácido ascórbico, también llamado Vitamina C, es un compuesto esencial para el crecimiento y la protección del organismo. Es la siguiente lactona insaturada:
a) Identificar los centros quirales del ácido ascórbico.b) ¿Cuál de los grupos alcohol se deshidratará más rapidamente?c) Representar los posibles tautómeros.
3) Representar la formación de ADP y ATP.
4) Representar el dinucleótido AMP-TMP.
5) El ácido fólico es un compuesto que participa en los mecanismos del sistema nervioso, presente en vegetales verdes, melón, banana e hígado; se lo conoce como Vitamina Bc o Vitamina M. Su estructura es la siguiente:
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N
NH2
ClCl
Cl COOH
OO
CH
CH2OH
HO
OHOH
NHO
NH
COOH
COOH
N
N
N
NH2N
OH
a) Indicar si sus anillos aromáticos son deficientes o excesivos.b) Identificar todos sus centros básicos y ácidos.c) Durante su hidrólisis ácida se obtiene un aminoácido ¿cuál es?. Representar la
reacción.d) Representar la reacción entre el ácido fólico y etanol.
6) Dados los siguientes alcaloides:
a) Indicar cuáles de ellos no son heterocíclicos.b) Clasificarlos.c) Representar las siguientes reacciones:
i) Bufotenina + bromuro de metilo.ii) Mescalina + cloruro de etilo.iii) Capsaicina + agua (en medio ácido).iv) Capsaicina + bromo.v) Ricinina + agua (en medio ácido).vi) Teofilina + ácido clorhídrico.
d) ¿Cómo puede diferenciar mediante un ensayo de laboratorio entre bufotenina y mescalina?
e) ¿Cómo puede diferenciar mediante un ensayo de laboratorio entre capsaicina y ricinina?
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Bufotenina(Presente en sapos y hongos venenosos) Ricinina
(Tóxico presente en la semilla del Castor)
Teofilina(Estimulante presente en el té)
Mescalina(Alucinógeno presente en un cactus del desierto mejicano)
Capsaicina(Principio picante del ají, el pimiento rojo y el pimentón)
N
H
HOCH2 CH2 N
CH3
CH3
N O
CH3
OCH3
CN
N
N N
NHO
O
CH3
CH3
CH2CH2
NH2
CH3O
CH3O
OCH3
HO
CH3O
NH
O
CH3
CH3