Módulo 1. SISTEMAS DIÉNICOS, HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Y HETEROCÍCLICOS.Tema 1. DIENOS.- Tipos de dienos.- Alenos: Estructura e isomería.- Dienos conjugados: Reacciones de adición. Reacciones de cicloadición. Polimerización.Tema 2. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS I.- Estructura del benceno.- Aromaticidad. Regla de Hückel. Compuestos aromáticos y antiaromáticos.Tema 3. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS II.- Sustitución aromática electrófila. Mecanismo.- Nitración.- Sulfonación.- Halogenación.- Acilación y alquilación de Friedel y Crafts.- Reactividad y orientación en derivados del benceno. Aminas aromáticas y sus sales de diazonio en las sustituciones aromáticas electrófilas.Tema 4. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS III.- Alquil, alquenil y alquinil bencenos. Propiedades físicas.- Fuentes industriales.- Preparación.- Reacciones.Tema 5. HALUROS DE ARILO.- Estructura y propiedades físicas.- Preparación.- Sustitución aromática nucleófila. Mecanismos.Tema 6. HETEROCICLOS.- Introducción.- Clasificación.- Heterociclos -excedentes.- Heterociclos -deficientes.- Otros heterociclos.

TEMA 6

1

TEMA 6. HETEROCICLOS

2

1. Introducción y clasificación

2. Heterociclos -excedentes

2.1. Estructura

2.2. Acidez y Basicidad

2.3. Reacciones: Sustitución Aromática Electrófila

3. Heterociclos -deficientes

3.1. Estructura

3.2. Acidez y Basicidad

3.3. Reacciones: Sustitución Aromática Electrófila y Sustitución Aromática Nucleófila

4. Otros heterociclos

3

N

N

N

N

CO2H

Fe

CO2H

N

N

N

NMg

O

C20H34O

O

O

MeO

Clorofila Componente de la hemoglobina

N

N

H

Nicotina

Forman parte de los ácidos nucléicos y de multitud de fármacos y de sustancias de interés biológico.

Heterociclos: Compuestos cíclicos en los que además de C, hay al menos un heteroátomo formando parte del anillo.

4

Clasificación de los heterociclos: 1. Alifáticos

NO

H

Piperidina

Tetrahidrofurano

2. Aromáticos: Presentan aromaticidad (regla de Huckel) y propiedades parecidas al benceno.

N

Piridina

O

Furano

Los aromáticos se clasifican en -deficientes y -excedentes.

1. Introducción y clasificación

5

2. Heterociclos -excedentes: Pirrol, Furano y Tiofeno

Compuestos heteroaromáticos con anillos de cinco miembros. Cada átomo de carbono adopta hibridación sp2 y lo mismo ocurre con los heteroátomos N, O y S que tienen el mismo tipo de hibridación. La deslocalización del par de electrones no compartido del heteroátomo completa el sextete de electrones requerido para la aromaticidad (regla de Huckel)

El grado de deslocalización, y por tanto de aromaticidad, varía con la electronegatividad del heteroátomo.

Estos heterociclos en los que hay exceso de carga sobre los átomos de C se denominan -excedentes.

NH

NH

NH

NH

NH

6

Acidez y basicidad

Estos heterociclos no presentan carácter básico. La protonación los convierte en cationes no aromáticos.

NH

1

2

34

5S1

2

34

5O1

2

34

5

Pirrol Tiofeno Furano

7

Acidez y basicidad

El pirrol presenta un átomo de hidrógeno con carácter ácido unido al nitrógeno (pKa 17.5, más ácido que el acetileno) y puede ser desprotonado mediante bases fuertes. Las sales sódicas y potásicas son iónicas y el anión tiende a sufrir reacciones en el nitrógeno, como se observa en la síntesis del siguiente N-metilpirrol.

NH

NaNH2

NNa

MeI

NMe

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Reactividad: Sustitución aromática electrófila

X

E

X

E

H X

E

H X

E

H X

-H

EC-2

X

E

X

HE

X

HE -H

X

E

C-3

Los tres heterociclos dan SAE. Son más reactivos que el benceno.El orden de reactividad observado es pirrol>furano>tiofeno>benceno.

La estabilidad relativa de los complejos sigma intermedios indica que la sustitución tiene lugar preferentemente en el C-2

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3. Heterociclos -deficientes: Piridina

N N N N

Cuando se sustituye un CH del benceno por un átomo de N se obtiene la piridina. Todos los átomos están en estado de hibridación sp2.

Como puede apreciarse en las formas resonantes la piridina es un heterociclo -deficiente y reacciona preferentemente con nucleófilos.

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Comparación estructura pirrol y piridina

Heterociclo excedente

Heterociclo -deficiente

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Acidez y basicidad

La piridina es básica y en disolución acuosa ácida el protón se une al par electrónico no enlazante del átomo de nitrógeno generando un catión piridinio, que continúa conservando la aromaticidad porque contiene 6 electrones pi (4n+2, n=1).

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Reactividad: Sustitución aromática electrófila

La piridina es prácticamente inerte a la SAE. Si consideramos por ejemplo la nitración, dado que la piridina es una base moderada, estará en forma totalmente protonada, lo que la hace mucho menos susceptible al ataque del electrófilo. Se conseguiría un bajo rendimiento de 3-nitropiridina.

Reactividad: Sustitución aromática nucleófila

Es la reacción típica de este heterociclo. La piridina puede ser atacada por nucleófilos en las posiciones C2/C6 y C4. El ataque en las posiciones C3/C5 no está favorecido debido a que la carga negativa del intermedio aniónico no puede deslocalizarse en el átomo de nitrógeno electronegativo.

N N N N

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Reactividad: Sustitución aromática nucleófila, 1

En condiciones de alta temperatura el anión intermedio puede rearomatizarse por pérdida de hidruro, incluso siendo éste un mal grupo saliente. La reacción de Chichibabin entre la piridina y el amiduro sódico para dar una 2-aminopiridina, es un ejemplo de este tipo de comportamiento.

NNH2

N

H

NH2

Na

-NaH

N NH2

N

NaNH2

PhCH3

110ºN NH2

170º

N NH2H2N

200º

N NH2H2N

NH2

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Reactividad: Sustitución aromática nucleófila, 2

La sustitución nucleófila es mucho más fácil si existen buenos grupos salientes, como un cloruro.

N Cl

X

N

X

Cl N X

N

ClX

N

Cl X

N

-Cl

X

-Cl

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4. Heterociclos con varios heteroátomos

Existen también heterociclos con más de un heteroátomo. Los más importantes son los azoles, estructuras presentes en muchos fármacos y sustancias de interés biológico.

N

O

Oxazol Imidazol Tiazol

1

2

34

5

N

NH1

2

34

5

N

S1

2

34

5

NO

Isoxazol Pirazol Isotiazol

1

2

34

5 NNH1

2

34

5 NS1

2

34

5

Chapter 14 16

Heterocyclic Aromatic Compounds Heterocyclic compounds have an element other than carbon as a

member of the ring Example of aromatic heterocyclic compounds are shown below

Numbering always starts at the heteroatom

Pyridine has an sp2 hybridized nitrogen The p orbital on nitrogen is part of the aromatic system of the ring The nitrogen lone pair is in an sp2 orbital orthogonal to the p orbitals of the ring;

these electrons are not part of the aromatic system The lone pair on nitrogen is available to react with protons and so pyridine is

basic

Chapter 14 17

The nitrogen in pyrrole is sp2 hybridized and the lone pair resides in the p orbital

This p orbital contains two electrons and participates in the aromatic system The lone pair of pyrrole is part of the aromatic system and not available for

protonation; pyrrole is therefore not basic

In furan and thiophene an electron pair on the heteroatom is also in a p orbital which is part of the aromatic system