Estructuras de algunosheterociclos nitrogenados

ImidazolPiridina

Azabenceno

Quinolina

1-azanaftaleno 1,3-diazaciclopenta-

Pirrol

1-azaciclopenta-

2,4-dieno 2,4-dieno

Indol PiperidinaPirimidina

1,3-diazabenceno

Pirrolidina

azaciclopentano azaciclohexano

Heterociclos aromáticos• Los que nos interesan en este curso son los

heterociclos aromáticos, ya sea nitrogenados, oxigenados o azufrados.

• Al ser compuestos aromáticos se espera que su reactividad sea similar a la del benceno, es decir, que sufran reacciones de SEA.

• Deberá analizarse su reactividad relativa frente a benceno y las posiciones más reactivas frente a condiciones de SEA.

SEA en heterociclos aromáticos• Los anillos heterocíclicos siguen reacciones de SEA, su energía

de resonancia relativa es la siguiente (Yurkanis Bruice, 2008)

• En los anillos de cinco miembros, la posición más reactivafrente a la SEA es la posición 2, como se muestra para el pirrol:

SEA en heterociclos aromáticos• La razón por la que la posición 2 es más reactiva, se debe a

que en ese caso el intermediario reactivo tiene una estructura mas de resonancia, lo que lo hace mas estable.

PirrolEn el pirrol, el nitrógeno tiene hibridación sp2 y su par de electrones libres forma parte del sistema aromático.

Debido a que el par de electrones libres del nitrógeno está comprometido en el sistema de electrones pi aromáticos, el pirrol NO se comporta como una base, sino más bien, el átomo de hidrógeno unido al nitrógeno es ácido (pKa 0.4 ).

Electrones libres en el orbital p

Electrones que forman parte del sistema aromático

PirrolEl pirrol es una base muy débil, ya que si se protona el nitrógeno, se perderá la aromaticidad del sistema.

Pirrol• Si comparamos el momento dipolar del pirrol con el

de su análogo alifático, la pirrolidina, vemos que la densidad electrónica en el pirrol está sobre el anillo más que sobre el nitrógeno:

Otros Heterociclos de 5miembros

• La densidad electrónica de estos compuestos (pirrol, furano y tiofeno) está localizada sobre el anillo mas que sobre el heteroátomo.

• Sin embargo, la densidad electrónica en el anillo es mayor en el pirrol.

Pirrol

Las estructuras de resonancia del pirrol indican que hay buena disponibilidad de electrones en todas las posiciones del anillo.

Por lo tanto, el pirrol es un buen sustrato para reaccionesSEA y su reactividad es MAYOR que la del benceno.

PirrolLa reactividad del pirrol frente a la SEA es mayor que el benceno y la posición más reactiva es la posición 2. La nitración NO se hace empleando HNO3 ya que el medio ácido conduce a polimerizaciones

Pirrol

N

H

H

H N

H

N

H

H

H

H+N +

H

N+

H

reaction continues to give polymer

• Debe evitarse la presencia de ácidos fuertes, porque el pirrol se polimeriza con facilidad en presencia de ácidos:

Pirrol

strong acidspolymer!

CH3CO2-NO2

+

(CH3CO)2O, 5oC N H

NO2

SO3

pyridine, 90o3SO H

C6H5-N2

+Cl-

N

H

N H

N N

N

H

pyrrole

• Dada su elevada reactividad, puede prescindirse delcatalítico ácido de Lewis.

SEA en heterociclos aromáticos• La reactividad relativa de los heterociclos aromáticos de 5

miembros con un solo heteroátomo, frente a la SEA sigue el orden inverso al de su energía de resonancia relativa:

Imidazol• En este caso, solamente uno de los átomos de

nitrógeno contribuye con su par de electrones libres, a la aromaticidad del anillo, el otro átomo de nitrógeno será básico.

Indol NH

Indole• Es menos reactivo que los heterociclos de 5 miembros

• La SEA se da en la posición 3• Es una base muy débil, igual que el pirrol• La estructura está presente en muchos

alcaloides

AcidoLisérgico

N H

O> > S>

N H

Piridina• En la piridina, al igual que en el pirrol, el nitrógeno tiene

hibridación sp2, pero los electrones sin compartir están ocupando un orbital sp2 y NO forman parte del sistema aromático del anillo

PiridinaA diferencia del pirrol, la piridina es una base, ya que la protonación del nitrógeno no afecta la aromaticidad del anillo

La piridina se emplea mucho por sus buenas características como disolvente y como base relativamente inerte (~amina 3ª)

Piridina• A diferencia del pirrol, la densidad electrónica se dirige hacia

el átomo de nitrógeno, por lo que el anillo aromático está DESACTIVADO frente a la SEA

Piridina• Si vemos las estructuras de resonancia del compuesto

• Podemos entonces deducir cuál(es) serán las posiciones preferidas para la SEA y cuál será su reactividad relativa, si la comparamos con el benceno.

SEA en Piridina• La piridina es muy poco reactiva frente a la SEA, lo que le

brinda ciertas ventajas en su uso como una base, por ejemlpo:

Piridina• Su reactividad frente a la SEA es similar a la delnitrobenceno, es decir, es muy poco reactiva a menos que se empleen condiciones de reacción drásticas.

Piridina

N N

NO2

N

+

H

ii

i, HNO , H SO3 2 4

N

R

O

iiii

Nii, AlCl3, RCOCl

N +_ AlCl3

• La basicidad del nitrógeno inactiva los ácidos de Lewis

Estables, no reaccionan

Piridina

N

N

N

H Y

Y

H

Y

HN

Y

HN

Y

H

N

H Y

N

H Y

Deactivated to EAS due to electronegativity of NitrogenDirects beta due to destabilization of alpha and gamma

Las posiciones 2 y 4 estándesactivadas frente a la SEA; laposición 3 no se ve afectada.Por lotanto, la SEA se da solo en posición 3

H H

Y Y

N N

Piridina

N

H2, Pt

HCl, 25o, 3 atm. N H

piperidineKb = 2 X 10-3

aliphatic 2o

amine

A diferencia del pirrol, la piridina se reduce porhidrogenación catalítica, a menor temperatura.

Pirimidina• Ambos átomos de nitrógeno tienen a sus electrones sin compartir

en un orbital sp2

Quinolina e isoquinolina

6

78

5

N1

2

34

6

78

5

1N 2

34

quinoline isoquinoline

EAS EAS

NAS

NAS

EAS

SEA SEA

4 35

2

SEA6 N

7 H 1

indole

SNA

SNA

Quinolina e isoquinolina• Presentarán dos sitios de reacción, pero los reactivos que

pueden reaccionar allí son opuestos: electrófilos, sobre el anillo bencénico y nucleófilos sobre el anillo piridínico.