Heterociclos pentagonales con un solo heteroátomo

¿Qué son los heterociclos pentagonales con un solo heteroátomo?

Son compuestos orgánicos cíclicos de cinco miembros que presentan un átomo en el anillo distinto del carbono.

Es uno de los grupos de compuestos heterocíclicos más relevantes, y los tres mas notables son: pirrol, furano y tiofeno.

fig-01

Estos heterociclos se pueden considerar como aromáticos, en mayor o menor grado, de acuerdo con sus propiedades  fisicoquímicas y sus energías de resonancia.

Todos ellos presentan un exceso de electrones π, puesto que tienen 6 electrones distribuidos en los 5 átomos del anillo.

Así, son compuestos heterocíclicos π-excedentes. Por tanto, debido a esto su Química presenta ciertos paralelismos a los compuestos aromáticos bencénicos, y nucleofílias como la anilina, o el fenol.

Otro cumpuesto adecuado para compararlos sería un dieno conjugado. Ambos tipos de compuestos son nucleofílicos y por tanto reaccionan preferentemente con electrófilos.

La Química de cada uno de los tres compuestos anteriormente mencionados (pirrol, furano y tiofeno) la veremos por separado. Sin embargo, existen muchas similitudes, y reacciones comunes en los tres.

Desde el punto de vista del enlace de valencia, se pueden considerar a estos compuestos como híbridos de resonancia de diversas estructuras. Así, se pueden explicar gráficamente el resultado de la deslocalización del par de electrones sin compartir del heteroátomo. Esto es, el grado de carga negativa que presentan los carbonos del anillo.

fig-02

La estructura I, es la que constribuye más debido a que en ella no hay separación de carga. Las estructuras II, y III quizas predominen más que las IV y V, debido a la menor separación de carga entre ellas.

Para el benceno es posible escribir dos estructuras resonantes.

fig-03

Sin embargo, para estos heterociclos sólo existe una estructura sin separación de carga.

fig-04 (anverso)

Esta limitación se refleja en los calores de combustión experimental y calculado. Así, esto demuestra que las energías de estabilización de los heterociclos corresponden, aproximadamente, a la mitad de la del benceno, que para el pirrol, tiofeno y furano son: 87.69, 66.51, y 121.10 kJ·mol−1, respectivamente.

Tabla 1: Propiedades físicas (en kcal·mol–1) de heterociclos comparadas con el benceno
Compuesto ΔH(exptl.) ΔHc(calc.) Energía de

Estabilización

benceno 789 827 37.9
furano 507 523 16
pirrol 578 594 16
tiofeno 612 623 11

Además, como las electronegatividades de los heteroátomos va en el orden O > N > S, las estructuras de resonancia II—V son de menor importancia, en el caso del furano comparado con el pirrol y tiofeno. El oxígeno se resiste más a ceder su par de electrones, y por tanto el furano es menos aromático que los otros dos.

Por consiguiente, la aromaticidad de estos heterociclos va a depender de los dos electrones que el heteroátomo aporte al sistema π.

fig-05

Pirroles

Furanos

Tiofenos