Heterociclos QUÍM.

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Química

Generalidades. Los h. o compuestos heterocíclicos forman un grupo importante de compuestos orgánicos (v. COMPUESTOS QUÍMICOS II) que se caracterizan por poseer en su molécula uno o varios ciclos de diverso tamaño, en los que alguno o algunos de sus eslabones están constituidos por átomos distintos del carbono, como nitrógeno, oxígeno o azufre. Según la naturaleza del h., estos compuestos se pueden agrupar en dos tipos fundamentales: los que poseen el heteroátomo o heteroátomos en un ciclo no saturado, de cinco o seis eslabones generalmente, y con un número máximo de dobles enlaces no acumulados, y los que los poseen en un ciclo demasiado pequeño o demasiado grande o en un ciclo saturado. Los primeros son los de mayor interés teórico por darse en el ciclo generalmente las condiciones de aromaticidad y presentar propiedades características, mientras que los últimos no suelen ser aromáticos y no presentan ninguna reactividad especial, sino la del grupo funcional que poseen. En la fig. 1 se formulan algunos h. de este segundo tipo y se indica el grupo funcional que posee. Como la reactividad de estos compuestos es fácilmente deducible si se conoce la de sus grupos funcionales (v. AMINAS; AMIDAS; ÉSTERES; ÉTERES; etc.), sólo vamos a exponer su nomenclatura sistemática junto con la de los h. pertenecientes al primer grupo, que serán objeto de mayor atención. Estos h. se pueden clasificar, a su vez, en tres grupos: 1) los que poseen un único ciclo con un solo heteroátomo, como el furano, tiofeno, pirrol y piridina; 2) los que poseen un único ciclo con dos o más heteroátomos, como los azoles y las diazinas; y 3) los que poseen dos o más ciclos condensados, como el indol, el carbazol y la purina. En la fig. 2 se formulan los h. más importantes de cada grupo.

La importancia de los compuestos heterocíclicos de todos los tipos es grande; muchos productos naturales fundamentales son h., como la clorofila, la hemoglobina, la mayoría de las vitaminas, los ácidos nucleicos, los alcaloides, los azúcares, algunos aminoácidos, etc., así como diversos productos industriales, como muchos colorantes, antibióticos, sulfamidas y otras drogas.

Nomenclatura. Como se deduce de la observación de las fig. 1 y 2, los compuestos heterocíclicos más corrientes reciben nombres vulgares arbitrarios, aunque también pueden nombrarse de forma sistemática de acuerdo con las siguientes normas:1) Los heteroátomos se nombran con los prefijos oxa, tia, aza, fosfa, arsa y sila para el oxígeno, azufre, nitrógeno, fósforo, arsénico y silicio, respectivamente.

2) Los compuestos monocíclicos con un solo heteroátomo en un anillo de tres a diez eslabones se nombran con los prefijos anteriores y una raíz de la tabla de la fig. 3.

3) Cuando hay varios heteroátomos en un ciclo, se sigue la misma sistemática, pero anteponiendo los prefijos di, tri, etc., si los heteroátomos son iguales o los prefijos correspondientes seguidos; en el orden de preferencia indicado en 1), si son distintos.

4) Los h. no saturados, pero en menor grado al máximo número de dobles enlaces se nombran de igual forma, pero usando los prefijos dihidro, tetrahídro, etc. En los anillos de cuatro y cinco eslabones, se usa una nomenclatura especial para las estructuras con un solo doble enlace (v. fig. 3).

5) La numeración se hace a partir del heteroátomo. Si hay varios, se da preferencia al orden establecido en 1) -oxa, tia, aza, ...-, de forma que los números de los heteroátomos sean los más bajos.

6) Se conservan una serie de tnombres vulgares, como piridina, pirimidina, pirrol, furano, etc.

7) Para los h. con núcleos condensados, se admiten varios sistemas de nomenclatura. El más sencillo es utilizar los prefijos oxa, aza, etc., seguidos del nombre del correspondiente compuesto homocíclico. Como ejemplos de aplicación de estas normas, en las fig. 1 y 2 debajo del nombre vulgar se indica entre paréntesis el nombre oficial correspondiente.

Heterociclos con un solo heteroátomo. Los más importantes son los pentagonales pirrol, tiofeno y furano y el hexagonal piridina.

Los h. pentagonales monoheteroatómicos son compuestos aromáticos cuyo sistema deslocalizado de seis electrones lo forman los cuatro electrones r de los dos dobles enlaces y un par de electrones sin compartir del heteroátomO (v. ENLACES Químicos). Según la teoría de la resonancia, la deslocalización de los seis electrones se puede describir considerando al h. como un híbrido (v. comPUESTOS DE COORDINACIÓN, 4) de resonancia entre varias estructuras, como se muestra en la fig. 4-a para el tiofeno. La pequeña participación de las estructuras dipolares hace que la molécula se encuentre polarizada, como se indica en la figura, es decir, existe cierta fracción de carga negativa en los átomos de carbono, quedando el heteroátomo cargado positivamente. La densidad electrónica elevada en los átomos de carbono hace que la sustitución electrófila sea una reacción fácil en el furano, tiofeno y pirrol, como se muestra para el caso del pirrol en la fig. 4-b. No obstante, como la aromaticidad de estos h. es relativamente pequeña (sus energías de resonancia son aproximadamente la mitad de la del benceno), también ocurren reacciones de adición e incluso de apertura del anillo. En la fig. 4-c se muestran algunas de estas reacciones en el caso del furano. Como puede apreciarse, las reacciones de sustitución electrófila tienen lugar preferentemente en las posiciones a (2 y 5) y, si éstas están ocupadas, en las R (3 y 4). Las reacciones de adición se inician como adiciones 1,4 al sistema de dobles enlaces conjugados.

Contrariamente a los h. pentagonales, en el sistema aromático de la piridina no participa el par de electrones sin compartir que posee el átomo de nitrógeno; poreMo la polarización de la molécula es la que condiciona la mayor electronegatividad del átomo de nitrógeno, quedando los átomos de carbono, especialmente los de las posiciones 2 y 6 (a) y 4 (y), cargados positivamente. La molécula se puede describir como un híbrido de resonancia entre las estructuras que se representan en la fig. 5-a. Como consecuencia de esta estructura, la piridina puede utilizar su par de electrones sin compartir sin destruir la aromaticidad del ciclo, por lo que es bastante básica, formando sales con los ácidos y otros compuestos (fig. 5-b). Sin embargo, las reacciones de sustitución electrófila, típicas de los compuestos aromáticos, están enormemente dificultadas, teniendo sólo lugar en condiciones enérgicas en la posición 3 (P), que es la menos desactivada (fig. 5-c). La sustitución nucleófila, por el contrario, está relativamente favorecida en las posiciones a y y; las reacciones con amiduro sódico y fenil-litio (fig. 5-d) son un ejemplo de sustituciones nucleófilas en el anillo de piridina. La hidrogenación del núcleo de piridina también ocurre con más facilidad que en el benceno (especialmente en presencia de cloruro de hidrógeno).

Heterociclos con dos o más heteroátomos. Los más importantes son los azoles y las diazinas. Los azoles tienen cierto parecido estructural, por una parte, con los h. pentagonales monoheteroatómicos y, por otra, con la piridina (v. las estructuras resonantes del oxazol en la fig. 6-a). Como la piridina, poseen un átomo de nitrógeno, cuyo par de electrones no participa en el sextete electrónico de la nube aromática, y como el furano, pirrol o tiofeno, poseen un heteroátomo con carga positiva por aportar un par de electrones a la nube deslocalizada. No debe extrañar, por tanto, que los azoles presenten una reactividad intermedia entre la piridina y los h. pentagonales monoheteroatómicos. Por esto, son h. básicos (fig. 6-b), más estables que los monoheteropentaciclos y que dan reacciones de sustitución electrófila más difícilmente que ellos, pero más fácilmente que la piridina (fig. 6-c). Frente a los reactives nucleófilos, son menos reactives que la piridina, aunque no tanto como el furano, tiofeno y pirrol (6-d). Los isoxazoles, por la acción de los reactives nucleófilos, experimentan la apertura del ciclo (fig. 6-e).

Las diazinas, por tener dos átomos de nitrógeno análogos al de la piridina, son h. enormemente desactivados para un ataque electrófilo, hasta tal punto que se puede afirmar que la piridazina, pirimidina y piracina no dan reacciones de sustitución electrófila. Como se muestra en la fig. 7, las sustituciones electrófilas sólo tienen lugar cuando hay varios grupos activantes. Por el contrario, las sustituciones nucleófilas ocurren más fácilmente que en la piridina.

V. t.: COMPUESTOS QUÍMICOS 11.

J. L. SOTO CÁMARA.

BIBL.: A. R. KATRITZKY y 1. M. LAGOWSKI, Química fundamental de heterociclos, Madrid 1968; L. A. PAQUETTE, Principles of Modern heterocyclic Chemistry, Nueva York 1968; I. L. FINAR, Química orgánica, I y II, 2 ed. Madrid 1966.