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QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
INTRODUCCIÓN A LA
QUÍMICA ORGÁNICA HETEROCÍCLICA
TEMA 23
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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FIN DEL TEMA 23
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