heterociclica 2

COMPUESTOS HETEROCÍCLICOSCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS COMPUESTOS HETEROCÍCLICOSCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS

COMPUESTOSCOMPUESTOS ORGÁNICOS ORGÁNICOS

CÍCLICOSCÍCLICOS

COMPUESTOSCOMPUESTOS ORGÁNICOS ORGÁNICOS

CÍCLICOSCÍCLICOS

COMPUESTOS CARBOCÍCLICOS: solo contienen átomos deCOMPUESTOS CARBOCÍCLICOS: solo contienen átomos decarbono en sus anilloscarbono en sus anillos

COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS: contienen otros elementosCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS: contienen otros elementosdistintos del carbono (HETEROÁTOMOS) en sus anillosdistintos del carbono (HETEROÁTOMOS) en sus anillos

COMPUESTOS HETEROCÍCLICOSCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS según el número de anillossegún el número de anillosCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOSCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS según el número de anillossegún el número de anillos

MONOCÍCLICOSMONOCÍCLICOS

POLICÍCLICOSPOLICÍCLICOS

COMPUESTOS HETEROCÍCLICOSCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS según su estructurasegún su estructuraCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOSCOMPUESTOS HETEROCÍCLICOS según su estructurasegún su estructura

AROMÁTICOSAROMÁTICOS

ALICÍCLICOSALICÍCLICOS

MONOCÍCLICOSMONOCÍCLICOS BICÍCLICOSBICÍCLICOSALICÍCLICOSALICÍCLICOS AROMÁTICOAROMÁTICO ALICÍCLICOALICÍCLICOAROMÁTICOAROMÁTICOO

THFTHF

O

OxiranoOxirano

N

PiridinaPiridina

N

QuinolinaQuinolina

NCH3

TropanoTropano

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES MÁS IMPORTANTESESTRUCTURA Y PROPIEDADES MÁS IMPORTANTESDE LOS HETEROCICLOS AROMATICOSDE LOS HETEROCICLOS AROMATICOS

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES MÁS IMPORTANTESESTRUCTURA Y PROPIEDADES MÁS IMPORTANTESDE LOS HETEROCICLOS AROMATICOSDE LOS HETEROCICLOS AROMATICOS

1.- 1.- SISTEMAS CARBOCICLICOS AROMATICOSSISTEMAS CARBOCICLICOS AROMATICOS

1.1.- Benceno y Naftaleno1.1.- Benceno y Naftaleno

Diferencia en reactividad entre benceno y alquenos:Diferencia en reactividad entre benceno y alquenos: Benceno reacciona por sustituciónBenceno reacciona por sustitución Alquenos reaccionan por adiciónAlquenos reaccionan por adición

C CBr2

C C

Br

BrCCl4

Br2

FeBr3

Br

Esta diferencia se debe a que el benceno posee 6 eEsta diferencia se debe a que el benceno posee 6 e-- en el anillo formando en el anillo formando un orbital molecular conjugado que es más estable termodinámicamente queun orbital molecular conjugado que es más estable termodinámicamente queel correspondiente sistema conjugado no cíclico. el correspondiente sistema conjugado no cíclico.

Esta estabilidad hace que el benceno reaccione por sustitución, para queEsta estabilidad hace que el benceno reaccione por sustitución, para queno se pierda el sistema conjugado de 6 eno se pierda el sistema conjugado de 6 e-- cíclico. cíclico.

AdiciónAdición SustituciónSustitución

QUÍMICAQUÍMICA HETEROCÍCLICA HETEROCÍCLICA

Hückel (1931) aromaticidad:Hückel (1931) aromaticidad: “sistemas cíclicos conjugados y planos “sistemas cíclicos conjugados y planos con 4n+2 econ 4n+2 e-- (n=0,1,2,...)” (n=0,1,2,...)”En la mayoría de los sistemas aromáticos monocíclicos tanto carbo-En la mayoría de los sistemas aromáticos monocíclicos tanto carbo-como hetero-aromáticos hay 6 ecomo hetero-aromáticos hay 6 e-- : :

Estructura del benceno:Estructura del benceno:

Ángulos C-C-C y H-C-C de Ángulos C-C-C y H-C-C de 120º120º

Hibridación Hibridación spsp22 para los C para los C

Anillo plano con un esqueleto Anillo plano con un esqueleto donde 6C están unidosdonde 6C están unidos

entre sí por orbitales entre sí por orbitales spsp22 y cada C con un H y cada C con un H

(hexágono regular)(hexágono regular)

A cada C le queda A cada C le queda 1 e1 e-- enen un orbital atómico un orbital atómico pp

perpendicularperpendicular al plano del anilloal plano del anillo

LosLos orbitales orbitales pp interaccionan para generar el interaccionan para generar el OrbitalOrbital

Molecular (O.M.)Molecular (O.M.) deslocalizado asociado con la deslocalizado asociado con la

aromaticidadaromaticidad

+ _+ _

H H

HH

H H

H

H

H

H

H

H

..

...

.

spsp22


Estas dos formas se denominan Estas dos formas se denominan “estructuras canónicas o resonantes”“estructuras canónicas o resonantes” y no y notienen por sí solas existencia real aunque tienen por sí solas existencia real aunque contribuyen a ilustrar lo que es contribuyen a ilustrar lo que es el benceno en realidad el benceno en realidad

H H

HH

H H

H H

HH

H H

..

...

..

. ..

..

El El bencenobenceno se puede describir como un se puede describir como un híbrido de resonancia entre dos formashíbrido de resonancia entre dos formasextremasextremas que corresponden, en términos de interacciones orbitalarias, a las que corresponden, en términos de interacciones orbitalarias, a las dos formas posibles de aparear sus espines los edos formas posibles de aparear sus espines los e-- de los orbitales de los orbitales pp contiguos. contiguos.


Los Los compuestos bencenoidescompuestos bencenoides se representan muchas veces se representan muchas veces con un círculocon un círculo dentro dentrodel hexágono que del hexágono que indica la deslocalización de los 6 eindica la deslocalización de los 6 e-- en el anillo y la igual en el anillo y la igual longitud de todos los enlaceslongitud de todos los enlaces (esto solo es cierto en el benceno, los 6 enlaces (esto solo es cierto en el benceno, los 6 enlacesC-C son idénticos: 1.39 Å ).C-C son idénticos: 1.39 Å ).

Para interpretar reacciones se utiliza una de las dos estructuras anteriores Para interpretar reacciones se utiliza una de las dos estructuras anteriores (teniendo en cuenta que no son las reales)(teniendo en cuenta que no son las reales)

1.39 1.39 ÅÅ

EH

E

E+

+


Estructura del naftaleno:Estructura del naftaleno: Un tratamiento similar conduce a tres formas resonantes para el Un tratamiento similar conduce a tres formas resonantes para el

naftaleno:naftaleno:

El enlace C1-C2 tiene mayor carácter dobleEl enlace C1-C2 tiene mayor carácter doble, estadísticamente 0.66 (I y , estadísticamente 0.66 (I y III), y por lo tanto menor longitud: III), y por lo tanto menor longitud: 1.37 Å1.37 Å El enlace C2-C3 tiene menor carácter dobleEl enlace C2-C3 tiene menor carácter doble, estadísticamente 0.33 (II),, estadísticamente 0.33 (II), y por lo tanto mayor longitud: y por lo tanto mayor longitud: 1.41 Å1.41 Å

II IIII IIIIII

LLC2-C3 C2-C3 = 1.41 = 1.41 ÅÅ

LLC1-C2 C1-C2 = 1.37 = 1.37 ÅÅ


Los Los sistemas bicíclicos aromáticossistemas bicíclicos aromáticos, por ejemplo el , por ejemplo el naftalenonaftaleno, tienen una , tienen una EERR menor que el doble de la del benceno.menor que el doble de la del benceno.Por lo tanto,Por lo tanto, una reacción que supongauna reacción que supongala pérdida de aromaticidad de uno de la pérdida de aromaticidad de uno de los anillos implica una menor pérdida los anillos implica una menor pérdida de estabilidad que en el benceno y por de estabilidad que en el benceno y por tanto se produce con más facilidad.tanto se produce con más facilidad.

Es la Es la diferencia de energía entre el estado fundamental de energía del diferencia de energía entre el estado fundamental de energía del benceno y la de un hipotético 1,3,5-ciclohexatrienobenceno y la de un hipotético 1,3,5-ciclohexatrieno y corresponde a la y corresponde a la estabilización del benceno por la interacción cíclica de los 6 eestabilización del benceno por la interacción cíclica de los 6 e-- ..

2.- 2.- ENERGÍA DE RESONANCIA AROMÁTICAENERGÍA DE RESONANCIA AROMÁTICA


EEEE EERR

E’E’RR<2E<2ERR

Se han calculado ESe han calculado ERR para los sistemas aromáticos y los valores absolutos para los sistemas aromáticos y los valores absolutosson distintos según los cálculos y las aproximaciones realizadas. Sin embargo,son distintos según los cálculos y las aproximaciones realizadas. Sin embargo,en muchos casos lo más significativo son los valores relativos.en muchos casos lo más significativo son los valores relativos.

La ELa ERR de la piridina (117) y del tiofeno (122) son del mismo orden que la de la piridina (117) y del tiofeno (122) son del mismo orden que la del benceno (150). La del pirrol es menor (90) y aún menor es la del furano del benceno (150). La del pirrol es menor (90) y aún menor es la del furano (68) (KJ/mol).(68) (KJ/mol).

La comparación entre piridina y quinolina es análoga a la que existe entreLa comparación entre piridina y quinolina es análoga a la que existe entrebenceno y naftaleno y lo mismo sucede con pirrol e indolbenceno y naftaleno y lo mismo sucede con pirrol e indol


ESTRUCTURA DE SISTEMAS ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS DE SEIS MIEMBROSHETEROAROMATICOS DE SEIS MIEMBROS

ESTRUCTURA DE SISTEMAS ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS DE SEIS MIEMBROSHETEROAROMATICOS DE SEIS MIEMBROS

1.- 1.- PIRIDINAPIRIDINA

En el NEn el N no no hay hay un H sino un H sino un par de eun par de e-- no compartido en un orbital no compartido en un orbital spsp22 que es el responsable de las que es el responsable de las propiedades básicas de la piridinapropiedades básicas de la piridina (p(pKKaa=5.2)=5.2)(¡¡ El par de e(¡¡ El par de e- - no está implicado en el sextete aromático !!)no está implicado en el sextete aromático !!)

Análoga al benceno, el cambio de CH por N origina unas diferencias entreAnáloga al benceno, el cambio de CH por N origina unas diferencias entreambos compuestos, de las que cabe destacar:ambos compuestos, de las que cabe destacar:

Debido a la presencia del heteroátomo, Debido a la presencia del heteroátomo, no es un hexágono regularno es un hexágono regular, los , los enlaces C-N son más cortosenlaces C-N son más cortos

N

H

H

H H

H

:

. ..

...


Posee un Posee un fuerte momento dipolarfuerte momento dipolar debido a la mayor electronegatividad debido a la mayor electronegatividad del N en comparación con la del C del N en comparación con la del C (( =2.2 D) =2.2 D)

Debido a la electronegatividad del N se origina una Debido a la electronegatividad del N se origina una polarización por elpolarización por elefecto –I en el esqueleto efecto –I en el esqueleto (fundamentalmente) (fundamentalmente) y también en el sistemay también en el sistema estabilizando el N aquellas formas resonantes con separación de cargasestabilizando el N aquellas formas resonantes con separación de cargasque sitúen la carga negativa en el N:que sitúen la carga negativa en el N:

N N N N N+

+

+- - -


Como el efecto inductivo (-I) y el conjugativo (-K) operan en el mismo sentido,Como el efecto inductivo (-I) y el conjugativo (-K) operan en el mismo sentido,la piridina está polarizada permanentemente hacia el Nla piridina está polarizada permanentemente hacia el N::

En posiciones En posiciones - y - y -- existe una existe una mayor deficiencia de cargamayor deficiencia de carga

N

Debido a esta Debido a esta deficiencia electrónicadeficiencia electrónica en los C de la piridina, a ella y a en los C de la piridina, a ella y alos heterociclos relacionados con ella se les denomina los heterociclos relacionados con ella se les denomina “HETEROCICLOS “HETEROCICLOS POBRES EN ePOBRES EN e--““ o o “HETEROCICLOS “HETEROCICLOS -DEFICIENTES”-DEFICIENTES”

También por esta causa, También por esta causa, la piridina reacciona con reactivos nucleófilos enla piridina reacciona con reactivos nucleófilos enlas posicioneslas posiciones - y - y -- y y con reactivos electrófiloscon reactivos electrófilos en el Nen el N yy con más con másdificultad en la posición dificultad en la posición --::

N



ESTRUCTURA-REACTIVIDADESTRUCTURA-REACTIVIDADESTRUCTURA-REACTIVIDADESTRUCTURA-REACTIVIDAD

NNuNu-- NuNu--

NuNu--

EE++

EE++EE++

DIFERENCIAS CON SISTEMAS BENCÉNICOS:DIFERENCIAS CON SISTEMAS BENCÉNICOS: EXPERIMENTA CON DIFICULTAD REACCIONES CON ELECTRÓFILOSEXPERIMENTA CON DIFICULTAD REACCIONES CON ELECTRÓFILOSEXPERIMENTA CON FACILIDAD REACCIONES CON NUCLEÓFILOSEXPERIMENTA CON FACILIDAD REACCIONES CON NUCLEÓFILOS

Comparando el Comparando el de la piridina de la piridina con el de la piperidina, nos damos idea de con el de la piperidina, nos damos idea dela la polarización asociada al esqueleto polarización asociada al esqueleto y y de la asociada con la distorsión de la asociada con la distorsióndel sistema del sistema ::

Las Las longitudes de enlacelongitudes de enlace en la piridina son: en la piridina son:

N

1.40 Å1.40 Å

1.39 Å1.39 Å

1.34 Å1.34 Å

N NH

2.2D2.2D 1.17D1.17D


Son heterociclos de seis miembros con Son heterociclos de seis miembros con dos Nitrógenosdos Nitrógenos en el anillo. en el anillo.

2.- 2.- DIAZINASDIAZINAS

Sus estructuras son análogas a la de la piridina:Sus estructuras son análogas a la de la piridina:

Su Su basicidad es menor que la de la piridinabasicidad es menor que la de la piridina debido al efecto -I del debido al efecto -I delsegundo nitrógeno que desestabiliza el catión monoprotonadosegundo nitrógeno que desestabiliza el catión monoprotonado

N NN

N

N

N

N

ppKKaa 5.2 5.2 2.3 1.32.3 1.3 0.65 0.65

N

NH

H

H H

N

N

H

H H

H

NN

H

H H

H

:

.. .

.. .

..

:

..

. ..

. ..

:

..

. ..

.

:


En estos compuestos existen más formas resonantes con separación deEn estos compuestos existen más formas resonantes con separación decarga, pues hay 2 N que pueden estabilizar la carga en vez de uno.carga, pues hay 2 N que pueden estabilizar la carga en vez de uno.

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

---

+

+

+

+

+

+

- --

NN

PIRIDAZINAPIRIDAZINAPIRIDAZINAPIRIDAZINA


N

N

N

NN

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

---

+

++

+

+ +

- --

N

N

PIRIMIDINAPIRIMIDINAPIRIMIDINAPIRIMIDINA


N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

---

+

+

+

+

+ +

- --

N

N

PIRAZINAPIRAZINAPIRAZINAPIRAZINA

LAS DIAZINAS:LAS DIAZINAS:NO EXPERIMENTAN SNO EXPERIMENTAN SEEAr. CON EAr. CON E++ REACCIONAN EN EL N REACCIONAN EN EL N

REACCIONAN BIEN CON NUCLEÓFILOSREACCIONAN BIEN CON NUCLEÓFILOS


3.- 3.- SALES DE PIRIDINIO Y DE PIRILIOSALES DE PIRIDINIO Y DE PIRILIOLa adición electrofílica al N piridínico genera La adición electrofílica al N piridínico genera IONES PIRIDINIOIONES PIRIDINIO. El. Elmás sencillo es el más sencillo es el 11HH-piridinio, isoeléctrico con el benceno-piridinio, isoeléctrico con el benceno con la única con la única diferencia de poseer un N cargado positivamente.diferencia de poseer un N cargado positivamente.

La carga positiva del N hace más deficitarias en carga a las posicionesLa carga positiva del N hace más deficitarias en carga a las posiciones- y - y - con respecto a la piridina- con respecto a la piridina más reactivas frente a nucleófilos. más reactivas frente a nucleófilos. La densidad electrónica en la posición La densidad electrónica en la posición - también es menor que en la - también es menor que en la piridina. piridina.

Los cationes piridinio Los cationes piridinio son aromáticosson aromáticos, tienen 6 e, tienen 6 e- -

N

H

H

H H

H

H N H+

. ..

... +

N

H

N

H

N

H

N

H

N

H

++ +. . . .. .

+

+


LAS SALES DE PIRIDINIO:LAS SALES DE PIRIDINIO:

SON MÁS REACTIVAS FRENTE A NUCLEÓFILOS QUE LA PIRIDINASON MÁS REACTIVAS FRENTE A NUCLEÓFILOS QUE LA PIRIDINA

N

H+

NuNu-- NuNu--

NuNu--



En el En el CATIÓN PIRILIOCATIÓN PIRILIO, el oxígeno cargado positivamente aún posee un, el oxígeno cargado positivamente aún posee unpar de epar de e-- en un orbital en un orbital spsp22 en el plano del anillo, igual que la piridina: en el plano del anillo, igual que la piridina:

La carga positiva se deslocaliza de nuevo en las posiciones 2-, 4- y 6-:La carga positiva se deslocaliza de nuevo en las posiciones 2-, 4- y 6-:

O

H

H

H H

H

O+

: :

..

..

..

OO O OO++¨ ¨

¨ ¨¨

¨+

+

+

¨¨

Como el Como el O es más electronegativo que el NO es más electronegativo que el N, tolera peor la carga positiva, tolera peor la carga positiva catión pirilio menos estabilizado que el catión piridiniocatión pirilio menos estabilizado que el catión piridinio


4.- 4.- PIRIDONAS Y PIRONASPIRIDONAS Y PIRONAS

Las Las piridinas con un OH en 2- ó en 4-piridinas con un OH en 2- ó en 4- existen predominantemente como existen predominantemente comotautómeros carbonílicos conocidos como tautómeros carbonílicos conocidos como PIRIDONASPIRIDONAS. .


N

OH

N

O

H

N

O

H

N

O

H

N

O

H

+

_

+

_

+

_

PIRIDONAPIRIDONA


Los estudios acerca del grado de aromaticidad de estos compuestos hanLos estudios acerca del grado de aromaticidad de estos compuestos hanconducido a diversos resultados. El grado de aromaticidad depende de conducido a diversos resultados. El grado de aromaticidad depende de la contribución de las estructuras dipolares (tienen 6 ela contribución de las estructuras dipolares (tienen 6 e- - ) a la estructura) a la estructuratotal.total.

Las Las PIRONASPIRONAS son los son los análogos oxigenados de las piridonasanálogos oxigenados de las piridonas y para ellas y para ellasno es posible el tautómero hidroxílico.no es posible el tautómero hidroxílico.

Las pironas son menos aromáticas que las piridonasLas pironas son menos aromáticas que las piridonas

Poseen una mayor tendencia a dar reacciones de adiciónPoseen una mayor tendencia a dar reacciones de adición

La estructura dipolar aromática de la pirona estabiliza peor la cargaLa estructura dipolar aromática de la pirona estabiliza peor la cargapositiva en el O más electronegativo) que la de la piridona en el Npositiva en el O más electronegativo) que la de la piridona en el N

O OO O O O O O+ _

+

_ _

+.... .. .. ..

PIRONAPIRONA


ESTRUCTURA DE SISTEMAS ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS DE CINCO MIEMBROSHETEROAROMATICOS DE CINCO MIEMBROS

ESTRUCTURA DE SISTEMAS ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS DE CINCO MIEMBROSHETEROAROMATICOS DE CINCO MIEMBROS

H

H H

H

¨.

. .

.

ElEl ANIÓN CICLOPENTADIENILOANIÓN CICLOPENTADIENILO es un sistema aromático carbocíclico cones un sistema aromático carbocíclico con 6 e6 e-- generado a partir del ciclopentadieno por la pérdida de un protón y generado a partir del ciclopentadieno por la pérdida de un protón y aunque esté “estabilizado” por resonancia es muy reactivo.aunque esté “estabilizado” por resonancia es muy reactivo.

El ciclopentadieno tiene un El ciclopentadieno tiene un ppKKa a 14 14, es mucho , es mucho más ácido que un simple dienomás ácido que un simple dienodebido a la estabilización del anión resultante por resonanciadebido a la estabilización del anión resultante por resonancia::

-

-

---


Es Es isoelectrónico conisoelectrónico con el anión el anión ciclopentadienilociclopentadienilo pero pero eléctricamente neutroeléctricamente neutro

1.- 1.- PIRROLPIRROL

N

H

H

H

H

H

.

..

.¨

En el pirrol En el pirrol las cinco formas resonantes no son equivalenteslas cinco formas resonantes no son equivalentes: hay una: hay unasin separación de cargas y dos pares de formas canónicas equivalentessin separación de cargas y dos pares de formas canónicas equivalentesen las que existe separación de cargas y que indican que la densidaden las que existe separación de cargas y que indican que la densidadelectrónica se aleja del nitrógeno electrónica se aleja del nitrógeno

La La contribucióncontribución de las formas resonantes es de las formas resonantes es distintadistinta: : I > III = IV > II = VI > III = IV > II = V

N

H

N

H

N

H

N

H

N

H

++++

---

-..

I II III IV VI II III IV V


N

H

La La carga negativacarga negativa parcial se reparte ente los parcial se reparte ente los carbonoscarbonos y el y el NN posee posee una una carga parcial positivacarga parcial positiva

La distribución electrónica en el pirrol es un balance de los La distribución electrónica en el pirrol es un balance de los dos efectosdos efectoscontrapuestoscontrapuestos, siendo el mesomérico el más significativo, siendo el mesomérico el más significativo

El El efecto inductivo desplaza carga hacia el Nefecto inductivo desplaza carga hacia el N debido a su mayor debido a su mayor electronegatividadelectronegatividad

N

H

N

H

1.57D1.57D 1.55 (2.15)D1.55 (2.15)Dsegún el disolventesegún el disolvente

1.37 Å1.37 Å

1.43 Å1.43 Å

1.38 Å1.38 Å

Las longitudes de enlace son concordantes con esto: Las longitudes de enlace son concordantes con esto: LLC3-C4 C3-C4 > L> LC2-C3C2-C3


Debido a que en Debido a que en el pirrolel pirrol la densidad electrónica se aleja del N hacia la densidad electrónica se aleja del N hacialos C se dice que es un los C se dice que es un “Heterociclo rico en e“Heterociclo rico en e--““ o o “Heterociclo “Heterociclo --excedente”excedente”

El par de electrones forma parte del sextete aromático:El par de electrones forma parte del sextete aromático:

N

H

H

H

H

H

.

..

.¨


Sus Sus estructuras son análogas a las del pirrolestructuras son análogas a las del pirrol, salvo que el NH está , salvo que el NH está reemplazado por un S o por un O reemplazado por un S o por un O

2.- 2.- TIOFENO Y FURANOTIOFENO Y FURANO

Tienen:Tienen:1 par de e1 par de e-- en un orbital en un orbital spsp22 (plano del anillo) (plano del anillo)1 par de e1 par de e-- en el sextete aromático en el sextete aromático

Z

H

HH

H

:

. .

..¨ Z = O Z = O FURANO FURANO

Z = SZ = S TIOFENONO TIOFENONO

En ambos casos se pueden escribir En ambos casos se pueden escribir formas canónicas análogas a las delformas canónicas análogas a las delpirrolpirrol

S

O


Debido a la Debido a la mayor electronegatividad del O y del S mayor electronegatividad del O y del S las las formas conformas conseparación de cargaseparación de carga (carga + en O ó en S) (carga + en O ó en S) tienen una menor tienen una menor contribucióncontribución

El El efecto –I del heteroátomoefecto –I del heteroátomo es en ambos casos es en ambos casos superior al efectosuperior al efectomesoméricomesomérico y esto hace que sean y esto hace que sean dipolos dirigidos hacia el heteroátomodipolos dirigidos hacia el heteroátomo

SS1.87D1.87D 0.520.52

1.37 Å1.37 Å

1.42 Å1.42 Å

1.71 Å1.71 Å

OO1.68D1.68D 0.710.71

1.35 Å1.35 Å

1.44 Å1.44 Å

1.37 Å1.37 Å

El El mayor tamaño delmayor tamaño del átomo de átomo de S S es uno de los motivos que hace al es uno de los motivos que hace al tiofeno más estable (más aromático) que al pirrol o al furanotiofeno más estable (más aromático) que al pirrol o al furano: :

Los Los ángulos de enlace son mayoresángulos de enlace son mayores y se evita la tensión angular y se evita la tensión angular

Otra contribución significativa Otra contribución significativa a la estabilizacióna la estabilización del tiofeno del tiofenoradica en la radica en la participación de los orbitales participación de los orbitales dd del AZUFREdel AZUFRE


S

H

HH

H

:

. .

..¨

O

H

HH

H

:

. .

..¨


z

PIRROL, FURANO Y TIOFENO:PIRROL, FURANO Y TIOFENO:EXPERIMENTAN SEXPERIMENTAN SEEAr. CON EAr. CON E++ REACCIONAN EN LOS C REACCIONAN EN LOS C

(las condiciones de reacción dependen del heteroátomo)(las condiciones de reacción dependen del heteroátomo)REACCIONAN MAL CON NUCLEÓFILOSREACCIONAN MAL CON NUCLEÓFILOS

EE++EE++

EE++EE++



Los Los 1,3-1,3- yy los los 1,2-azoles1,2-azoles son heterociclos de son heterociclos de cinco eslabones cinco eslabones concon dos dos heteroátomosheteroátomos

3.- 3.- AZOLESAZOLES

N

N

H

S

N

O

N

NN

H

SN

ON

IMIDAZOLIMIDAZOL

TIAZOLTIAZOL OXAZOLOXAZOL

ISOXAZOLISOXAZOLISOTIAZOLISOTIAZOL

PIRAZOLPIRAZOL

1,3-AZOLES1,3-AZOLES

1,2-AZOLES1,2-AZOLES


N

NH

HH

H

.. . .

..¨

S

NH

HH

.. . .

..¨ : O

NH

HH

.. . .

..¨ :

IMIDAZOLIMIDAZOL TIAZOLTIAZOL OXAZOLOXAZOL

N

N

N

N

N

N

N

NH

N

NH H H H

N

NH

N

NH

N

NH

-

+++--

-

+..

-

+.. - +.. -+

..

N

Y

1,3-AZOLES1,3-AZOLES1,3-AZOLES1,3-AZOLES Uno de los heteroátomosUno de los heteroátomos es es análogo a los del pirrol, furano y tiofenoanálogo a los del pirrol, furano y tiofeno

y y el otroel otro (un N) es (un N) es del tipo azometínicodel tipo azometínico (como en la piridina) (como en la piridina)

N

Y

EE++

EE++

NuNu--



IMIDAZOL, TIAZOL Y OXAZOL:IMIDAZOL, TIAZOL Y OXAZOL:EXPERIMENTAN SEXPERIMENTAN SEEAr CON EAr CON E++ REACCIONANDO EN N-3 Y EN C-5 REACCIONANDO EN N-3 Y EN C-5

REACCIONES CON NUCLEÓFILOS EN C-2REACCIONES CON NUCLEÓFILOS EN C-2


NN

NN

NN

NH

NN

N

NH

N

HHHH

NH

NNH

NNH

N

-

+++--

-

+..

.. .. -+

.. -+ ..

-+

PIRAZOLPIRAZOL ISOTIAZOLISOTIAZOL ISOOXAZOLISOOXAZOL

N

N

HH

H

H

... .

..¨

O

N

HH

H... .

..¨

:S

N

HH

H... .

..¨

:

YN

1,2-AZOLES1,2-AZOLES1,2-AZOLES1,2-AZOLES Uno de los heteroátomosUno de los heteroátomos es es análogo a los del pirrol, furano y tiofenoanálogo a los del pirrol, furano y tiofeno

y y el otroel otro (un N) es (un N) es del tipo azometínicodel tipo azometínico (como en la piridina) (como en la piridina)



N

N

H

EE++

EE++

IMIDAZOL, TIAZOL Y OXAZOL:IMIDAZOL, TIAZOL Y OXAZOL:EXPERIMENTAN SEXPERIMENTAN SEEAr CON EAr CON E++ REACCIONANDO EN N-2 Y EN C-4 REACCIONANDO EN N-2 Y EN C-4

REACCIONES CON NUCLEÓFILOS EN C-5 MEJOR QUE EN C-3REACCIONES CON NUCLEÓFILOS EN C-5 MEJOR QUE EN C-3

NuNu--

NuNu--

Son análogas al naftaleno con un Son análogas al naftaleno con un anillo de piridina yanillo de piridina y otro otro de bencenode bencenofusionadosfusionados::

ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS BICÍCLICOS CONDENSADOSBICÍCLICOS CONDENSADOS

ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS ESTRUCTURA DE SISTEMAS HETEROAROMATICOS BICÍCLICOS CONDENSADOSBICÍCLICOS CONDENSADOS


1.- 1.- QUINOLINAQUINOLINA (QUINOLEINA) e (QUINOLEINA) e ISOQUINOLINAISOQUINOLINA (ISOQUINOLEINA)(ISOQUINOLEINA)

N

H

H

H

H

H

H

H

.

..

. ..

....

..

N

H

H

H

H

H

H

.

..

. ..

. ...

..

QUINOLINAQUINOLINA ISOQUINOLINAISOQUINOLINA


2.- 2.- INDOLINDOLEs un sistema fusionado con un Es un sistema fusionado con un anillo de pirrol y otro de bencenoanillo de pirrol y otro de benceno::

N

H

H

H

H

H¨

. .. .

....

Las Las formas resonantesformas resonantes de estos biciclos condensados se pueden escribir de estos biciclos condensados se pueden escribir dedeacuerdo a las del benceno y a las de los heterociclos correspondientesacuerdo a las del benceno y a las de los heterociclos correspondientes

Las Las formas canónicas en que se pierde la aromaticidadformas canónicas en que se pierde la aromaticidad de ambos anillos de ambos anillostienen muy tienen muy escasa contribuciónescasa contribución

N



N N N N N

+

---

+

....+

QUINOLINAQUINOLINA

N

NuNu--

NuNu--

EE++

EE++

N


ISOQUINOLINAISOQUINOLINA


N N N N N

+

---+

....+

N

NuNu--NuNu--

EE++

EE++

N

H



N

H

N

H

N

H

N

H

--

+

....+

..

N

H

EE++EE++

INDOLINDOL


Cuando dos centros alternativos para la protonación son Cuando dos centros alternativos para la protonación son heteroátomos, normalmente se establecen equilibrios en disoluciónheteroátomos, normalmente se establecen equilibrios en disoluciónpor transferencia intermolecular rápida de protones entre un átomo depor transferencia intermolecular rápida de protones entre un átomo deN del anillo y un sustituyente con O, S ó N. N del anillo y un sustituyente con O, S ó N.

TAUTOMERÍA EN COMPUESTOS HETEROCÍCLICOSTAUTOMERÍA EN COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS

N X

H

N XH N

H

X

N

XH

X = O, N, SX = O, N, S

Muchos compuestos heterocíclicos pueden existir en 2 o más Muchos compuestos heterocíclicos pueden existir en 2 o más formas tautoméricasformas tautoméricas

Este es el caso de las piridinas con grupos –OH, -SH y –NHEste es el caso de las piridinas con grupos –OH, -SH y –NH22

en posiciones 2- y 4-:en posiciones 2- y 4-:


El predominio de uno de los tautómeros en disolución, se El predominio de uno de los tautómeros en disolución, se puede establecer por técnicas espectroscópicas por comparación de sus puede establecer por técnicas espectroscópicas por comparación de sus espectros con los de sus alquilderivados. espectros con los de sus alquilderivados.

Por ejemplo, el UV de la 2-piridona es análogo al de la 1-Por ejemplo, el UV de la 2-piridona es análogo al de la 1-metil-2-piridona (en distintos disolventes) pero es muy distinto del demetil-2-piridona (en distintos disolventes) pero es muy distinto del dela 2-metoxipiridina:la 2-metoxipiridina:

N O

H

N O

Me

N OMe

max(EtOH) max(EtOH) (log (log )) 229 229 (3.85)(3.85) 230230 (3.78)(3.78) 270270 (3.55)(3.55)300 300 (3.70)(3.70) 305305 (3.70) (3.70)

max(EtOH) max(EtOH) (log (log )) 229 229 (3.85)(3.85) 230230 (3.78)(3.78) 270270 (3.55)(3.55)300 300 (3.70)(3.70) 305305 (3.70) (3.70)

El equilibrio El equilibrio 2-Piridona 2-Piridona 2-Hidroxipiridina 2-Hidroxipiridina se encuentra se encuentra muy desplazado muy desplazado ((9:1) hacia el tautómero cetónico9:1) hacia el tautómero cetónico en estas condiciones en estas condiciones

Por Por ejemploejemplo, en el sistema , en el sistema 2-Hidroxipiridina/2-Piridona2-Hidroxipiridina/2-Piridona el tautómero el tautómeroque predomina en disolución muy diluida ( 10que predomina en disolución muy diluida ( 10-7-7M ) o en fase gaseosa es la M ) o en fase gaseosa es la Hidroxipiridina. En disolventes no polares predomina la Piridona pues seHidroxipiridina. En disolventes no polares predomina la Piridona pues seasocia dimericamente por enlace de hidrógeno.asocia dimericamente por enlace de hidrógeno.


Cuando Cuando X=SX=S también es la también es la tionationa el el tautómero predominantetautómero predominante

Cuando Cuando X=NHX=NH el tautómero predominante es la el tautómero predominante es la aminopiridinaaminopiridina

Estas Estas consideracionesconsideraciones son también son también válidasválidas para otros para otros sistemas sistemas heterocíclicos aromáticos de seis eslabonesheterocíclicos aromáticos de seis eslabones

La posición de estos equilibrios se puede ver afectada por:La posición de estos equilibrios se puede ver afectada por:

La concentración de la disoluciónLa concentración de la disolución

La naturaleza del disolventeLa naturaleza del disolvente

En los compuestos aromáticos existen otros tipos de tautomeríaEn los compuestos aromáticos existen otros tipos de tautomeríaprototrópica:prototrópica:

La interconversión entre estructuras totalmente aromáticas porLa interconversión entre estructuras totalmente aromáticas por protonación y desprotonación sobre diferentes átomos de N delprotonación y desprotonación sobre diferentes átomos de N del anillo es, en general, un proceso muy rápido de baja energía. anillo es, en general, un proceso muy rápido de baja energía. Un ejemplo es el 1,2,4-Triazol:Un ejemplo es el 1,2,4-Triazol:

N

OH

N

O

H

+

_

N

NNH

N

NN

H

N

NNH


El El equilibrio entre la 3-Hidroxipiridina y el Óxido de piridinio equilibrio entre la 3-Hidroxipiridina y el Óxido de piridinio se se encuentra, en disolución, perfectamente balanceado pues no existeencuentra, en disolución, perfectamente balanceado pues no existe un tautómero cetónico:un tautómero cetónico:

Tautomería en Tautomería en ImidazolesImidazoles

Tautomería en Tautomería en ImidazolesImidazoles

En los imidazoles se presenta el fenómeno de En los imidazoles se presenta el fenómeno de la tautomería: la tautomería: N

NH

N

N

H

En algunos casos uno de los tautómeros es el predominante en el equilibrio:En algunos casos uno de los tautómeros es el predominante en el equilibrio:

NH

NO2N

N

NHO2N

400 400 : : 1 1400 400 : : 1 1

4(5)-Nitroimidazol4(5)-Nitroimidazol

Esta característica hace que los imidazoles sustituidos asimétricamente existanEsta característica hace que los imidazoles sustituidos asimétricamente existancomo dos especies inseparables en equilibrio. Un ejemplo es el 4-metilimidazol encomo dos especies inseparables en equilibrio. Un ejemplo es el 4-metilimidazol enequilibrio con el 5-metilimidazol, por convenio se denominan equilibrio con el 5-metilimidazol, por convenio se denominan 4(5)-Metilimidazol4(5)-Metilimidazol::

NH

NCH3

N

NHCH3

N

NH

CH3

11

11

11

222222

33 33

33

44

44

44

55

55

55


Tautomería en Tautomería en PirazolesPirazoles

Tautomería en Tautomería en PirazolesPirazoles

En los pirazoles se presenta, igual que en los imidazoles, En los pirazoles se presenta, igual que en los imidazoles, el fenómeno de la tautomería: el fenómeno de la tautomería: N

N HNN

H

Esta característica hace que los pirazoles sustituidos asimétricamente existanEsta característica hace que los pirazoles sustituidos asimétricamente existancomo dos especies inseparables en equilibrio. Un ejemplo es el 3-metilimidazol encomo dos especies inseparables en equilibrio. Un ejemplo es el 3-metilimidazol enequilibrio con el 5-metilimidazol, por convenio se denominan equilibrio con el 5-metilimidazol, por convenio se denominan 3(5)-Metilipirazol3(5)-Metilipirazol::

NH

N

CH3

NNH

CH3

NNH

CH3

11

1111

222222

3333

33

444444

55

5555


N

H

OEtN

H H

OEt

Es posible generar y caracterizar en disolución los tautómeros Es posible generar y caracterizar en disolución los tautómeros enólicos de los heterociclos de 5 miembros que se representan a enólicos de los heterociclos de 5 miembros que se representan a continuación aunque sean inestables:continuación aunque sean inestables:


La interconversión de tautómeros por protonación y desprotonación La interconversión de tautómeros por protonación y desprotonación sobre el C puede ser un proceso con alta Esobre el C puede ser un proceso con alta Eaa lo que permite el lo que permite el aislamiento por separado de los tautómeros puros:aislamiento por separado de los tautómeros puros:

Z = S predomina IZ = S predomina IZ = O predomina IIZ = O predomina IIZ

OH

Z

O

HH

II II II

El establecimiento de las formas tautoméricas es de gran importancia El establecimiento de las formas tautoméricas es de gran importancia en las bases púricas y pirimidínicas que forman parte del ADN y ARN en las bases púricas y pirimidínicas que forman parte del ADN y ARN las cuales, a través de enlaces de hidrógeno que involucran al oxígeno las cuales, a través de enlaces de hidrógeno que involucran al oxígeno carbonílico, proporcionan el mecanismo para el apareamiento de las carbonílico, proporcionan el mecanismo para el apareamiento de las basesbases


N N

O

HN

N

NHH

N

N

CH3

O

H

H

N NH

N

N

OH

N

NO

HNH

H

NH

H

TTTT

AAAA

CCCC

GGGG

Aunque todas las formas resonantes posean cargas nominales Aunque todas las formas resonantes posean cargas nominales positivas y negativas, estos compuestos no se comportan como sales positivas y negativas, estos compuestos no se comportan como sales sino como compuestos neutros. Se disuelven en los disolventes habitualessino como compuestos neutros. Se disuelven en los disolventes habitualesde las sustancias orgánicas. Ejemplos:de las sustancias orgánicas. Ejemplos:

ON

N

O

Ph ON

N

O-

Ph ON

N

O-

Ph ON

N

O

PhON

N

O

Ph+++++

-

-

-

N

N

Me

O-

N

N

Me

O-

N

N

Me

O

N

N

Me

O

+++

-

etc.-

+

Debido a sus estructuras dipolares, los compuestos mesoiónicos participanDebido a sus estructuras dipolares, los compuestos mesoiónicos participan en reacciones de cicloadición como 1,3-dipolosen reacciones de cicloadición como 1,3-dipolos


SISTEMAS MESOIÓNICOSSISTEMAS MESOIÓNICOSSon aquellas sustancias aromáticas para las cuales no es posible escribirSon aquellas sustancias aromáticas para las cuales no es posible escribirestructuras canónicas no polarizadasestructuras canónicas no polarizadas


LUIS ANTONIO MARTINEZ A.LUIS ANTONIO MARTINEZ A.JOSE G. GARCIA ESTRADAJOSE G. GARCIA ESTRADA

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES-CFACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES-CUNAMUNAM

heterociclica 2

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