QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA HETEROCÍCLICA TEMA 23 1 TEMA 23 COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS NO AROMÁTICOS • Tamaño y geometría del ciclo • Tensión angular en heterociclos • Torsión de enlace • Movilidad y estabilidad de heterociclos • Conformaciones preferentes • Interacciones a través del espacio 2 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop Se estudian aquí todos los heterociclos que son total o parcialmente saturados y que no cumplen los requerimientos de aromaticidad. Estructuralmente deben considerarse como ciclos que presentan insertos grupos funcionales aunque ambos aspectos se encuentran recíprocamente influenciados. O En un oxirano (ciclo + éter) el grupo funcional es mucho más reactivo que un éter de cadena abierta y el ciclo es algo menos estable que el ciclopropano. 3 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop A diferencia de los aromáticos, aquí el nivel de estabilidad es muy variable y depende de diversos factores relativos al propio ciclo y a los heteroátomos presentes. La rigidez del anillo no permite adoptar una conformación de máxima estabilidad para su configuración electrónica o para el tipo de grupo funcional como podría darse en compuestos de cadena abierta. Factores de inestabilidad: en los heterociclos no aromáticos, el anillo está sometido a tensiones desestabilizantes como, • tensión angular • torsión de enlace • extensión o compresión de enlaces • interacciones internas o externas 4 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop TENSIÓN ANGULAR Causada por la adopción de un ángulo de enlace impropio de la hibridación asumida. Factor no muy diferente del observado en carbociclos. Se aprecia en ciclos pequeños pues los superiores a 5 eslabones se pliegan adecuadamente para evitar esta tensión. Consecuencias: Alta reactividad en procesos de los que se deriva la apertura del anillo liberando la tensión. Posible modificación de propiedades como la basicidad: • aminas de cadena abierta muy básicas • piperidinas: muy básicas • aziridinas: muy poco básicas 5 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop N N N H cadena abierta piperidina aziridina 109º 109º 60º sp3 pura (109º) sp3 pura (109º) sin hibridar (90º) 2p 2s B HI 1s D RI A ÓN I C sp3 1s Los electrones n de la aziridina son menos disponibles en un orbital 2s. 6 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop ESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO Las aminas macrocíclicas son también de una basicidad muy débil por la tendencia a disponer los nitrógenos hacia el interior de las cadenas formando cavidades: O : : N O O O O N O Un comportamiento similar se observa en los éteres corona. 7 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop TORSIÓN DE ENLACE La rigidez del ciclo impide adoptar la conformación más estable por giro en torno a los enlaces. Causas de inestabilidad en heterociclos son: • interacción entre núcleos • repulsión entre sustituyentes • interacción de pares libres de electrones n O O N N S 8 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop En general, las barreras de energía para la rotación crecen en el orden: C—Heteroátomo < C—C << Heteroátomo—Heteroátomo La conformación más estable entre heteroátomos contiguos es aquella en la que los pares n de ambos forman un ángulo de 90º. Si no puede adoptarse esta disposición, el ciclo es inestable: O N N 9 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop La torsión impedida de enlace afecta a ciertos comportamientos: En amidas de cadena abierta se da la deslocalización representada en las siguientes formas resonantes: O O N N + Experimentalmente apoyado por espectroscopía ir (tensión C=O baja y C-N alta) y por la bajísima basicidad del N: O R N O N N El giro libre del enlace C-N permite el imprescindible solapamiento de orbitales para la deslocalización. O Esta lactama rígida, de giro impedido, no puede disponer los orbitales para el solapamiento, es muy básica. 10 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop MOVILIDAD Y ESTABILIDAD DE HETEROCICLOS NO AROMÁTICOS Los heterociclos presentan mayores dificultades para adoptar las conformaciones preferentes y realizar los movimientos característicos del grupo funcional que contienen, especialmente los más pequeños. Esto repercute en su estabilidad. N N O S 11 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop Los heterociclos flexibles, que se pueden plegar, presentan conformaciones preferentes, similares a los carbociclos aunque con algunas diferencias cuantitativas originadas por los heteroátomos y referentes a: • energías de torsión • longitudes de enlace • barreras energéticas de inversión de anillo Todo ello fundamentalmente debido a la existencia de enlaces más cortos: C—O < C—N < C—C A la existencia de pares solitarios n en los heteroátomos y a las diferencias de radios de van der Waals: O < NH < CH2 Átomos más cercanos suponen interacciones más fuertes. 12 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop INVERSIÓN TETRAÉDRICA (PIRAMIDAL). Es un movimiento característico de ciertos derivados del nitrógeno. Las aminas con geometría piramidal (N sp3) sufren inversión con una barrera energética muy baja a través de un híbrido sp2: N [2] [1] 2p [1] 2s 1s [2] HI 2p 2s 1s N N HI B B D RI D RI A [1] ÓN I C sp3 1s A ÓN I C 2p sp2 1s QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop 13 En heterociclos grandes, aún siendo la barrera algo mayor, también está permitida la inversión: H N N H Pero en ciclos pequeños la barrera es muy alta por la tensión del intermedio y el movimiento está impedido: R N N R R TENSIÓN INTERMEDIO N ángulo hibridación sp2 = 120º ángulo real = 60º QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop 14 ANÁLISIS CONFORMACIONAL (conformación-estabilidad) Consideración de los factores presentes presentes en el heterociclo: • plegamiento de anillo • inversión piramidal • interacciones pares libres n y sustituyentes N R INVERSIÓN PIRAMIDAL R N MAYOR ESTABILIDAD INVERSIÓN DEL PLEGAMIENTO N N R R MAYOR ESTABILIDAD 15 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop INTERACCIONES A TRAVÉS DEL ESPACIO Adaptación de los criterios generales de estabilidad de carbociclos a las estructuras heterocíclicas. La propia estructura heterocíclica lleva en ocasiones a conformaciones preferentes, no favorables por aspectos estéricos sino por otros factores: 1) Establecimiento de puentes de hidrógeno: HO coexisten N H HIDROXILO ECUATORIAL O H N H HIDROXILO PUENTEADO 16 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop 2) Interacción heteroátomo nucleófilo-carbono electrófilo Tautomería anillo-cadena abierta R' O R N R' R H O OH N O N N R R 17 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop FIN DEL TEMA 23 18 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop 19 QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA. HETEROCÍCLICA. Juan A. Palop