Heterociclos hexagonales con un oxígeno

¿Qué son los heterociclos hexagonales con un oxígeno?

Debido a que el átomo de oxígeno neutro divalente no puede sustituir al grupo CH del anillo bencénico (necesitaría valencia 3). Por tanto, no es posible la existencia de compuestos oxigenados neutros de constitución análoga a la piridina.

El sistema cíclico, no sustituido, sin carga con dos dobles enlaces se llama pirano.

fig-01

En esta estructura, hay que indicar la posición del átomo de hidrógeno «extra» para distinguir entre los dos isómeros posibles.

fig-02

Además, son posibles dos dihidro-piranos, empleándose para nombrarlos la notación Δ, para indicar la posición del doble enlace (superíndice numérico).

Por otra parte, no se conoce el α-pirano y el γ-pirano no es muy estable.

fig-03

El núcleo aromático oxigenado es el catión pirilio y también como derivados se dan las 2- y 4-pironas.

fig-04

Algunas pironas son naturales, como el ácido kójico.

fig-05

Por otro lado, se incluyen dentro de los heterociclos oxigenados,  a los azúcares que presentan un anillo hexagonal denominados piranosas.

Cuando el anillo de pirano o el de pirona se fusionan con un anillo bencénico, pueden formarse las siguientes estructuras.

fig-06

Los derivados sencillos de estos sistemas se encuentran, ampliamente, en la naturaleza.

Sales de pirilio

Las sales de pirilio, antes denominadas sales de piridoxonio, fueron descubiertas en 1901 por A. Werner, en forma de sales de dibenzopirilio o de xantilio a partir de la xantona.

fig-07

Pero fue A. von Baeyer, 10 años después, quien logró la síntesis de la primera sal de pirilio el cual presentara un ciclo hexagonal sencillo.

Esto lo llevo a cabo partiendo de la 2,6-dietil-pirona con cloruro de metil magnesio (XMgCH3) con el resultado de la transformación en 2,4,6-trimetil-piranol.

fig-08

 

El intermedio (I) constituye ya una de las pseudobases posibles de la sal de pirilio. Además, por acción de ácidos minerales fuertes, pierde el grupo OH produciendo el catión 2,4,6-trimetilpirilio.

este catión se forma por la fuerte tendencia a la aromatización del anillo piránico.

Posteriormente, se ha conseguido su síntesis por condensación a partir de cetonas sencillas.

fig-09

La reacción consiste en una condensación aldólica seguida de una crotonización por el medio ácido que se induce.

Se obtiene un anhidrido mixto orgánico inorgánico como intermedio, a partir del HClO4 y CH3COOH.

El perclorato de acetoxonio, acetila al metilo en posición gamma (γ) del carbonilo de la cetona α,β-insaturada.

fig-10

Estructuralmente, las sales de pirilio tienen la falta de un protón en el heteroátomo, lo cual hace que sea imposible la preparación del compuesto neutro. Además, la existencia del doble enlace donde hay un ión oxonio en la molécula le confiere una gran reactividad.

Por tanto, las sales de oxonio son muy inestables frente a las bases y adicionan rápidamente HO para formar pseudobases. Las cuales en medio ácido revierte a sales de pirilio.

fig-11

Formación de anillo

Se pueden obtener heterociclos hexagonales monooxigenados en el anillo de varias maneras:

A partir de pentan-1,5-dionas.

fig-12

Normalmente, se prepara la pentan-1,5-diona por condensación aldólica o adición de Michael.

fig-13

A partir de penta-1,2,3-trionas

El cierre se produce por deshidratación obteniéndose γ-pironas.

fig-14

A partir de sustratos que ya contienen formados los enlaces con el heteroátomo.

Se forma un enlace C—C por reacción de Dieckman.

fig-15

Reacciones del catión pirilio

Con reactivos nucleófilos en un carbono del anillo.

La carga  del oxígeno facilita el ataque de reactivos nucleófilos en las posiciones α o γ.

 

fig-16

De esta manera, reacciona con HO , RO, sulfuros, CN y BH4 y ciertos carbaniones, aminas y compuestos organometálicos.

El ataque nucleófilo en C2 produce un 2H-pirano que puede existir en equilibrio con un tautómero de cadena abierta.

fig-17

Este aducto de cadena abierta se puede aislar de las reacciones de las sales de 2,4,6-trimetil-pirilio con varios nucleófilos y pueden conseguir reacciones de otro tipo y ciclarse, convirtiéndose en otros compuestos cícliclos.

fig-18

Si la reacción se realiza con hidroxilamina (NH2OH), la reacción transcurre de la siguiente manera.

fig-19

En cambio, si la reacción se lleva a cabo con nitrometano (CH3NO2), se obtiene un derivado bencénico.

Con reactivos electrófilos.

La carga ⊕ del oxígeno impide la reacción de electrófilos en el heteroátomo y desactiva fuertemente el resto del anillo. Sin embargo un ejemplo claro de este tipo de reacción es la nitración de compuestos con núcleos activantes en el anillo.

Reacciones de las pironas

Las pironas se presentan, normalmente, en forma no ionizada, pero las formas canónicas iónicas son de importancia comparable.

fig-20

Las reacciones se deducirán del desplazamiento electrónico en las moléculas.

Con reactivos electrófilos.

En el ataque sobre un átomo de carbono anular, los electrófilos (E) lo hacen en posición β con respecto al oxígeno anular.

fig-21

En general, estas reacciones, por ejemplo la halogenación, se llevan a cabo mejor que en el benceno. Sin embargo, otras como la nitración o sulfonación, que requieren condiciones ácidas muy fuertes, inactivan el anillo.

Con reactivos nucleófilos.

En el ataque sobre un átomo de carbono anular, los electrófilos (Nu) lo hacen en posición α-γ con respecto al oxígeno anular. Los aductos formados por el ataque al carbono carbonílico pueden evolucionar abriendo el anillo, como las reacciones con HO, NH3 y RNH2.

fig-22

Los aductos formados por ataque a un carbono que no sea el carbonílico, pueden ir seguido de adición de un protón (H), es decir de una adición de Michael.

fig-23

Los aductos formados por reacción de las γ-pironas con y aminas, en el átomo de carbono α, pueden abrirse y con frecuencia sufren una nueva ciclación.

fig-24

Si la reacción se lleva a cabo con amoniaco (NH3) o aminas, se obtendrá una piridona.

Benzopiranos y benzopironas

Al igual que los piranos y las pironas, los benzopiranos son muy poco relevantes comparados con los benzopironas, estas últimas son sustancias aromáticas mientras que los benzopiranos no lo son.

De las diferentes benzopironas, merecen especial atención la cumarina y la cromona.

fig-25

Cumarina

La cumarina se puede obtener por condensación de Perkin a partir de aldehído salicílico y anhídrido acético.

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Cromona

la cromona es la base de una serie de colorantes vegetales amarillos, las flavonas (2-aril-cromonas sustituidas).

La química de estos heterociclos puede extrapolarse de las pironas. Sin embargo, estas sustancias no ocupan su lugar por las reacciones que puedan dar.

Las cromonas no son «reactivos especiales ni especialmente reactivos«, su característica fundamental radica en su propiedad como colorante.

En cuanto a su síntesis, por ejemplo la cromona que es un colorante del grupo se puede obtener mediante extracción de su fuente natural antes de plantear una síntesis química.

Otro ejemplo de cromona es la quercitina. Esta se puede preparar a partir de la 2,4-dimetoxi-6-hidroxiacetofenona con 3-metoxianisaldehído.

fig-27

Colorantes de la pirona

El anillo de la pirona no posee en sí propiedades colorantes, pero constituye el esqueleto de una serie de colorantes de origen natural.

Presentan aplicación industrial los síntéticos o los que se pueden extraer en grandes cantidades a partir de sus correspondientes productos naturales.

Se dividen en cuatro grupos: colorantes de la cumarina, de la flavona, de la isoflavona y de la xantona.

Colorantes de la cumarina

El más importante es el ácido elágico que se acompaña con frecuencia del ácido gálico e industrialmente se obtiene del ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico.

fig-28

Colorantes de la flavona

Se subdividen en colorantes de la flavona, propiamente dicho, y del flavonol. Ambos presentan varios hidroxilos en los anillos bencénicos o sólo en el anillo bencénico de la cromona.

fig-29

Se ve que el color se hace más intenso al aumentar λ en el espectro de UV/vis, cuando hay más grupos fenólicos.

Colorantes de la isoflavona

Se han descrito pocos colorantes naturales derivados de isoflavona, algunos de ellos como la daidzeina, gacisteina e irigenina se indican en la figura.

fig-30

Colorantes de la xantona

La estructura de la xantona presenta grandes analogías con la de la antraquinono. Por tanto se prevee que sus hidroxiderivados presenten propiedades colorantes análogas.

Sin embargo, presenta una clara desviación al color amarillo, por falta de un grupo carbonilo en la molécula.

El colorante mas notable del grupo es la euxantona. Este presenta un color amarillo indio usado en pintura y se obtiene por síntesis a partir del ácido hidroquino-carboxílico y resorcinol.

fig-31