Química de heterociclos

Generalidades 

Los compuestos heterocíclicos son compuestos cíclicos que contienen en la estructura del anillo uno o más átomos distintos del carbono. Los elementos mas frecuentes son N, S y O. Se hallan ampliamente en la naturaleza. Muchos de ellos tienen una importancia fundamental para los sistemas vivos; pudiendo ser componentes claves en los procesos biológicos. Por ejemplo: la clorofila y el grupo hemo son derivados del sistema de la porfirina; las bases de los ácidos nucleicos son derivados de la piridina. Diversas vitaminas (B1 , B2 , B6, … etc.) son compuestos heterocíclicos.

Los heterociclos más sencillos están compuestos por anillos de tres miembros:

heterociclo de tres miembros

, seguidos de 4, 5, 6, 7, etc. hasta heterociclos superiores.

Los sistemas más importantes son los anillos de 5 y de 6 miembros:

heterociclo oxolano tetrahidrofurano

 

heterociclo piridina

Dentro de los sistemas heterocíclicos, puede haber anillos saturados, por ejemplo tetrahidrofurano (THF), o bien anillos insaturados con al menos un doble enlace. También, se pueden clasificar en heterociclos no aromáticos y aromáticos, puesto que hay sistemas heterocíclicos que cumplen la regla de la aromaticidad.

Otro grupo de heterociclos corresponden a los que presentan más de un heteroátomo en el anillo:

heterociclo pirimidina
Pirimidina
heterociclo oxazina
Oxazina
heterociclo oxazol
Oxazol
heterociclo tiazol
Tiazol
heterociclo 1,2,4-triazina
1,2,4-triazina

También, pueden existir sistemas heterocíclicos condensados al anillo de benceno:

 

heterociclo indol
Indol
heterociclo quinolina
Quinolina

Para los compuestos heterocíclicos han sido elaborados varios sistemas de nomenclatura. Se pueden nombrar mediante nombres triviales reconocidos, mediante nombres sistemáticos y también otra nomenclatura basada en los nombres de los hidrocarburos cíclicos análogos.

En general, son compuestos principales en muchos de los trabajos de investigación actuales.

Una de las razones del extremo empleo de estos tipos de compuestos químicos es debido a que se pueden modificar su funcionalidad manipulando su estructura. Por ejemplo, cambiando un heteroátomo por otro, o moviendo de lugar la ubicaión de los mismos heteroátomos dentro del anillo.

Además, se pueden incorporar diversos grupos funcionales como sustituyentos o como parte del propio anillo. Se utilizan como intermedios en la síntesis orgánica. Por ejemplo, un sistema anular, relativamente estable, puede someterse a una serie de pasos sintéticos y luego romperse para generar otros grupos funcionales.

heterociclo furano
Furano

Por ejemplo, derivados del furano puede emplearse como sistemas γ-dicarbonílicos enmascarados:


derivados de furano gamma-dicarbonilicos

Se puede romper el anillo con un ácido para obtener dicho grupo funcional.

Nomenclatura

Existen diferentes sistemas de nomenclatura para los compuestos heterocíclicos. Se pueden utilizar nombres triviales reconocidos, nombres sistemáticos y también existe otro sistema de nomenclatura basado en hidrocarburos cíclicos análogos, al compuesto que se desee nombrar. 

Sin embargo, el sistema que se suele utilizar con mas frecuencia, especialmente para heterociclos aromáticos es un híbrido entre nombres triviales y sistemáticos que utilizan prefijos y sufijos estándar (sistema de nomenclatura Hantzsch-Widman).

Nomenclatura Hantzsch-Widman

En este sistema, el prefijo nos indica el tipo o tipos de heteroátomos que pueden formar el heterociclo.

El sufijo nos indica el número de términos del anillo, si tiene o no nitrógeno, así como si son saturados o no saturados.

Tabla 1: Prefijos que se utilizan en la nomenclatura Hantzsch-Widman
Elemento Valencia Prefijoa
Oxígeno II Oxa-
Azufre II Tia-
Selenio II Senena-
Telurio II Telura-
Nitrógeno III Aza-
Fósforo III Fosfa-
Silicio IV Sila-
La “a” final se elimina cuando el prefijo va seguido de una vocal.

Cuando hay presentes dos o más heteroátomos distintos, los prefijos se ordenan en el orden que aparecen en la Tabla 1.

Dos o más heteroátomos del mismo tipo se indican como di, tri, etc.

Para numerarlos, se empieza en el heteroátomo que aparezca más arriba en orden la Tabla 1.

Algunos ejemplos de numeración se indican seguidamente:

 

nomenclatura Hantzsch-Widman numeracion ejemplo heterociclo

 

nomenclatura Hantzsch-Widman numeracion ejemplo heterociclo

 

nomenclatura Hantzsch-Widman numeracion ejemplo heterociclo

 

 

Tabla 2: Sufijos que se utilizan en la nomenclatura Hantzsch-Widman de anillos nitrogenados
Tamaño anillo No saturadoa Saturado
3 -irina -iridina
4 -eto -etidina
5 -ol -olidina
6 -ina b
7 -epina b
8 -ocina b
9 -onina b
10 -ecina b

Con el máximo número de enlaces dobles no acumulativos (con las valencias de la Tabla 1).

b Se expresa con el prefijo -perhidro unido al nombre del compuesto no saturado.

Un ejemplo de uso del prefijo –perhidro sería:

 

Hantzsch-Widman nomenclatura heterociclo prefijo perhidro perhidroazina piperidina
Perhidroazina (piperidina)

 

Tabla 3: Sufijos que se utilizan en la nomenclatura Hantzsch-Widman de anillos sin nitrógenos
Tamaño anillo No saturadoa Saturado
3 -ireno -irano
4 -eto -etano
5 -ol -olano
6 -ino -ano
7 -epino -epano
8 -ocino -ocano
9 -onino -onano
10 -ecino -ecano

Con el máximo número de enlaces dobles no acumulativos (con las valencias de la Tabla 1).

Ejemplos

Algunos ejemplos de nomenclatura Hantzsch-Widman se muestran seguidamente:

nomenclatura Hantzsch-Widman oxirano epoxido
Oxirano (epóxido)

 

nomenclatura Hantzsch-Widman aziridina (etilenamina)
Aziridina (etilenamina)

 

nomenclatura Hantzsch-Widman 2H-azepina
2H-azepina

Los sistemas heterocíclicos no saturados, pero en menor grado del correspondiente al máximo número de dobles enlaces no acumulativos, se nombran usando los prefijos dihidro, tetrahidro, etc.

En los anillos de 4 y 5 eslabones, se utiliza una terminación especial para las estructuras con un solo doble enlace, presupuesto de que queda mas de uno no acumulativo.

Tabla 4: Sufijos especiales que se utilizan en la nomenclatura Hantzsch-Widman
Tamaño anillo Anillos con N Anillos sin N
4 -etina -eteno
5 -olina -oleno

Algunos ejemplos se indican a continuación:

 

nomenclatura Hantzsch-Widman numeracion 1,2-oxatiolano
1,2-oxatiolano

 

nomenclatura Hantzsch-Widman numeracion 1,3-tiazol
1,3-tiazol

 

Cuando un mismo heteroátomo se presenta más de una vez en una anillo, la numeración se hace de modo que los localizadores sean lo más bajos posibles, como por ejemplo:

nomenclatura Hantzsch-Widman numeracion 1,2,4-triazina
1,2,4-triazina

Nombres triviales de sistemas anulares comunes

En los orígenes de la Química Orgánica, se asignaban nombres a los compuestos para identificarlos, casi siempre, antes de conocer su estructura.

Todavía se hace hoy esto para los productos naturales recién descubiertos, los nombres de los compuestos suelen tener como base la fuente del mismo o bien una de sus propiedades mas características.

 

Por ejemplo al heterociclo aromático siguiente:

nombres triviales heterociclos piridina

se le denominó piridina, basandose en la palabra latina picatus, que significa alquitranado, debido a que se aisló del alquitran de la hulla.

Pirrol proviene del griego que significa rojo encendido, debido al calor que produce el compuesto con una astilla de pino mojada en ácido clorhídrico.

nombres triviales heterociclos pirrol
Pirrol

Estos nombres triviales no contienen información sobre la estructura del compuesto y su uso se esta abandonando.

En la actualidad, aproximadamente unos 60 nombres triviales sobreviven y son reconocidos por la IUPAC. Estos nombres que han sobrevivido son importantes porque se utilizan como base para construir otros.

Nomenclatura de sistemas anulares fusionados

Algunos heterociclos contienen dos o mas anillos fusionados, y muchos de ellos presentan nombres triviales, como por ejemplo:

fig14a

La mayoría de los heterociclos fusionados no presentan nombre trivial reconocido, por lo que hay que utilizar el nombre sistemático. Para ello, se considera a los átomos comunes como pertenecientes a ambos sistemas anulares. El nombre correspondiente se construye cambiando los nombres de los anillos individuales.

fig15a

Estos nombres se construyen siguiendo estos pasos:

1) Los nombres de los componentes de los sistemas fusionados se eligen, siempre que sea posible, de la lista de nombres triviales reconocidos. Se selecciona el componente mayor que posee un nombre reconocido. Por ejemplo indol mejor que pirrol si está presente el fragmento de indol. Cuando el fragmento no tiene nombre reconocido, se utiliza el nombre sistemático.

2) En un sistema fusionado formado por dos o mas componentes con nombre individual, se elige uno de ellos como componente base para el nombre compuesto. por ejemplo, pirimidina es el componente base en el ejemplo de la figura anterior (pirrolo[1,2-a]pirimidina).

3) El segundo componente se añade como prefijo al nombre del componente base. Dicho prefijo se deduce reemplazando la “a” final del nombre del sistema anular por “o”. Por ejemplo, pirazina –> pirazino. Hay algunas excepciones que se indican en la Tabla 5.

Tabla 5: Nomenclatura de heterociclos fusionados
Heterociclo Nombre como prefijo
Furano furo
Imidazol imidazo
Isoquinolina isoquino
Piridina pirido
Quinolina quino
Tiofeno tieno

4) Los enlaces que forman el sistema anular del componente base se numeran como a, b, c, … etc., comenzando con el lado que normalmente se numere como 1,2.

Los átomos que forman el sistema anular del segundo componente se numeran de manera normal. El enlace de unión se indica con la letra y el número apropiados, mencionándose los números del segundo componente en la secuencia en la que se presente el componente base. Como por ejemplo:

fig16a