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Heterociclos más influyentes en el mundo

Heterociclos más influyentes en el mundo

Compuestos heterocíclicos

Un compuesto heterocíclico, también conocido como estructura de anillo, es básicamente un compuesto que contiene átomos de dos elementos distintos como miembros de su anillo / anillos. Los compuestos heterocíclicos probablemente constituyan el número más variado y sustancial de la familia de compuestos orgánicos.

Independientemente de la funcionalidad y estructura, cada compuesto carbocíclico se puede convertir en varios análogos heterocíclicos simplemente reemplazando uno o más átomos del anillo de carbono con un elemento diferente. Como resultado, los heterociclos han ofrecido una plataforma para el intercambio de investigación en diversas áreas que incluyen, pero no se limitan a, la química farmacéutica, medicinal, analítica y orgánica de compuestos heterocíclicos.

Los principales ejemplos de compuestos heterocíclicos son la mayoría de los medicamentos, los ácidos nucleicos, la mayoría de los colorantes sintéticos y naturales y la mayoría de la biomasa, como la celulosa y los materiales relacionados.

Clasificación

Aunque los compuestos heterocíclicos pueden ser compuestos orgánicos o inorgánicos, la mayoría tienen al menos un carbono. Estos compuestos se pueden clasificar según su estructura electrónica. Los compuestos heterocíclicos saturados se comportan de la misma manera que los derivados acíclicos. Como resultado, tetrahidrofurano y piperidina son éteres y aminas convencionales con perfiles estéricos modificados.

El estudio de la química heterocíclica, por lo tanto, se centra principalmente en derivados insaturados y las aplicaciones implican anillos no entrenados de cinco y seis miembros. Esto incluye furano, pirrol, tiofeno y piridina. La siguiente clase grande de compuestos heterocíclicos se fusiona con anillos de benceno, que para el furano, pirrol, tiofeno y piridina son benzofurano, indol, benzotiofeno y quinolina, respectivamente. Si se fusionan dos anillos de benceno, esto da como resultado otra gran familia de compuestos, que son dibenzofurano, carbazol, dibenzotiofeno y aridina. Los anillos insaturados se pueden clasificar en función de la participación de un heteroátomo en el sistema pi, sistema conjugado.

Preparación y reacciones

Anillos de 3

Los compuestos heterocíclicos con tres átomos en un anillo son mucho más reactivos por cortesía del anillo. Los heterociclos que contienen un heteroátomo son generalmente estables. Los que contienen dos heteroátomos ocurren, en general como intermedios reactivos.

Los oxiranos, también conocidos como epóxidos, son los heterociclos con los miembros 3 más comunes. Los oxiranos se preparan por reacción de perácidos con alquenos, con buena estereoespecificidad. Los oxiranos son más reactivos que los éteres insaturados, cortesía de la tensión de ángulo alto del anillo de 3. Las reacciones de adición que proceden de una apertura nucleófila y electrófila del anillo son la clase de reacción más general.

Una reacción de este tipo está implicada en la acción farmacológica de las mostazas nitrogenadas, que se encontraba entre los primeros medicamentos contra el cáncer desarrollados. El cierre del anillo intramolecular como en el caso del agente anticanceroso mecloretamina forma un ion aziridium intermedio. El agente biológicamente activo formado ataca a las células en proliferación, incluidas las células cancerosas, mediante la inhibición de su replicación del ADN. Las mostazas nitrogenadas también se han usado como agentes anticancerígenos.

Comercialmente aziridina y oxirano son productos químicos industriales a granel esenciales. En la producción a gran escala de oxirano, el etileno reacciona directamente con oxígeno. La reacción química, que es la más característica de estos anillos de miembros 3, es que son susceptibles al ataque de reactivos nucleófilos para abrir el anillo como se muestra a continuación:

Los tres miembros más comunes compuestos heterocíclicos con un heteroátomo incluyen:

Saturado insaturado
Tiirano (episulfuros) Thiirene
Fosfirano Phosphirene
Epoxides (oxirano, óxido de etileno) Oxirene
Aziridina Azirine
Borirane Borirene

Los compuestos heterocíclicos de tres miembros más comunes con dos heteroátomos incluyen Diaziridina como un derivado saturado y Diazirina como un derivado insaturado así como Dioxirane y Oxaziridine.

Anillos de cuatro miembros

En el siguiente diagrama se muestran diversos métodos de preparación de heterociclos con anillos de miembros 4. El proceso de reacción de una amina, tiol o 3-halo con una base es típicamente efectivo pero con rendimientos mediocres. La dimerización y la eliminación son reacciones secundarias típicas. Otras funciones también pueden competir en la reacción.

En el primer ejemplo, la ciclación a un oxirano siempre compite con la formación de tietano, pero la mayor nucleofilia domina especialmente si se usa una base débil.

En el segundo ejemplo, es posible la formación de azetidina y aziridina, pero solo se ve esto último. El ejemplo número cuatro muestra que este enfoque para la formación de azetidina funciona bien si no hay competencia.

En el tercer ejemplo, la configuración rígida del sustrato favorece la formación de oxetano y evita la ciclación del oxirano. En los ejemplos 5 y 6, las fotociclizaciones de Paterno-Buchi son especialmente adecuadas para la formación de oxetano.

Métodos de preparación de anillos 4 heterociclos

Reacciones

Reacciones de 4-miembros compuestos heterocíclicos también demuestran la influencia de la tensión del anillo. El siguiente diagrama muestra algunos ejemplos. La catálisis ácida es una característica típica de varias reacciones de apertura de anillo demostradas en los ejemplos 1,2 y 3a. En la reacción 2 de tietano, el azufre se somete a una cloración electrófila que conduce a la formación de intermedio de clorosulfonio y a la sustitución del ion cloruro de apertura de anillo. En la reacción 3b, también se observan nucleófilos fuertes para abrir el éter filtrado. Las reacciones de escisión de beta-lactonas pueden ocurrir ya sea por intercambio de acilo catalizado por ácido como se ve en 4a. También puede tener lugar por la ruptura de alquil-O por nucleófilos como en 4b.

El número de ejemplo 6 muestra un fenómeno interesante de reordenamiento intramolecular del ortoéster. La reacción 6 muestra la escisión Beta-lactama de penicilina G que explica la reacción de acilación mejorada del sistema de anillos fusionados.

Ejemplos de reacciones de compuestos heterocíclicos con miembros 4

Lo más útil compuestos heterocíclicos con anillos de 4 son dos series de antibióticos, las cefalosporinas y las penicilinas. Las dos series contienen un anillo de azetidinona que también se conoce como anillo betalactámico.
Muchos oxetanos están bajo investigación como agentes antivirales, anticancerígenos, antiinflamatorios y antifúngicos. Las oxetanonas, por otro lado, se aplican principalmente en la agricultura como bactericidas, fungicidas y herbicidas y en la fabricación de polímeros.
La tietana original se encontró en el aceite de esquisto bituminoso, mientras que sus derivados odoríferos funcionan como marcadores de olor para los turones, los hurones y los visones europeos. Los tietanos se aplican como fungicidas y bactericidas en la pintura, como inhibidores de la corrosión del hierro y en la fabricación de polímeros.

Compuestos de anillos de cuatro miembros con un solo heteroátomo

Heteroatom saturado insaturado

Heteroatom Saturado insaturado
Azufre Thietane Azete
Oxígeno Oxetano Oxete
Nitrógeno Azetidina Azete

Compuestos de anillos de cuatro miembros con dos heteroátomos

Heteroatom Saturado insaturado
Azufre Dithietane Dithiete
Oxígeno Dioxetano Dioxete
Nitrógeno Diazetidine Diazete

Anillos de 5 con un solo heteroátomo

El tiofeno, el furano y el pirrol son los compuestos aromáticos precursores de los heterociclos de los anillos 5. Aquí están sus estructuras:

Los derivados saturados de tiofeno, furano y pirrol son tiofeno, tetrahidrofurano y pirrolidina, respectivamente. Los compuestos bicíclicos hechos de anillo de tiofeno, furano o pirrol fusionado a un anillo de benceno se conocen como benzotiofeno, benzofurano, isoindol (o indol), respectivamente.
El pirrol de heterociclo de nitrógeno normalmente se produce en el aceite de hueso que se forma por la descomposición de las proteínas a través de un fuerte calentamiento. Los anillos de pirrol se encuentran en los aminoácidos tales como hidroxiprolina y prolina que son componentes de varias proteínas presentes en altas concentraciones en la proteína estructural de ligamentos, tendones, piel y huesos y colágeno.
Derivados del pirrol se encuentran en los alcaloides. La nicotina es el pirrol más comúnmente conocido que contiene alcaloides. La hemoglobina, la mioglobina, la vitamina B12 y las clorofilas están formadas por la unión de cuatro unidades de pirrol en un gran sistema anular llamado porfirina, como el de la clorofila B que se muestra a continuación.

Los pigmentos biliares se forman mediante la descomposición del anillo de porfirina y tienen una cadena de anillos de pirrol 4.
Preparación de heterociclos con anillo de miembros 5
La preparación industrial de furanos se desarrolla como se muestra a continuación por medio de aldehído, furfural, que se genera a partir de pentosa que contiene materias primas tales como mazorcas de maíz. Las preparaciones similares de tiofeno y pirrol se muestran en la segunda fila de ecuaciones.
La tercera fila de la ecuación uno demuestra la preparación general de tiofenos, pirroles, furanos sustituidos a partir de compuestos de 1,4-dicarbonilo. Se han iniciado muchas otras reacciones que conducen a la formación de heterociclos sustituidos de este tipo. Dos de estos procedimientos se han mostrado en la segunda y tercera reacción. El furano se reduce por hidrogenación catalizada con paladio a tetrahidrofurano. Este éter cíclico es un solvente valioso que no solo se puede convertir en 4-haloalquilsulfonatos sino también en 1,4-dihalobutanos que se pueden usar para preparar tiolano y pirrolidina.

Compuestos de anillos de cinco miembros con un solo heteroátomo

Heteroatom insaturado Saturado
Antimonio Stibole Stibolane
Arsénico Arsole Arsolane
bismuto Bismole Bismolane
Boro Borole Borolane
Nitrógeno pirrol Pirrolidina
Oxígeno El furano Tetrahidrofurano

Anillos de 5 con heteroátomos de 2

Los compuestos de anillo de cinco miembros que contienen heteroátomos 2 y al menos uno de los heteroátomos es nitrógeno, se conocen como azoles. Los isotiazoles y los tiazoles tienen un átomo de nitrógeno y azufre en el anillo. Los compuestos con dos átomos de azufre se conocen como ditiolanos.

Heteroatom Insaturado (y parcialmente insaturado) Saturado
Nitrógeno

/nitrógeno

Pirazol (pirazolina)

Imidazol (imidazolina)

Pirazolidina

Imidazolidina

Nitrógeno / oxígeno Isoxazol

Oxazolina (oxazol)

Isoxazolidina

oxazolidina

Nitrógeno / azufre Isotiazol

Tiazolina (Tiazol)

Isotiazolidina

Tiazolidina

Oxígeno / oxígeno Dioxolano
Azufre / azufre Ditiolano

Algunos pirazoles ocurren de forma natural. Los compuestos de esta clase se preparan haciendo reaccionar 1,3-dicetonas con hidrazinas. La mayoría de los compuestos de pirazol sintéticos se usan como medicamentos y colorantes. Incluyen la aminopirina analgésica reductora de la fiebre, la fenobutazona utilizada en el tratamiento de la artritis, el colorante de la fibra y la tartrazina de color amarillo, y la mayoría de los colorantes utilizados en la fotografía en color como agentes sensibilizantes.

Anillos de 5 con heteroátomos de 3

También existe un gran grupo de compuestos de anillo de cinco miembros con al menos heteroátomos de 3. Un ejemplo de tales compuestos es ditiazoles que contienen un átomo de nitrógeno y dos azufre.

Anillos de 6 con heteroátomo 1

La nomenclatura utilizada en los compuestos de anillo de 6 que contienen nitrógeno monocíclico se encuentra a continuación. Se muestran las posiciones en el anillo para piridina, los números arábigos son más preferidos a las letras griegas, aunque ambos sistemas se utilizan. Las piridonas son compuestos aromáticos cortesía de las contribuciones al híbrido de resonancia de formas de resonancia cargadas como se demostró para 4-piridona.

Dos principales coenzimas implicadas en varias reacciones metabólicas cruciales en las células, NAD (también conocido como coenzima1) y NADP (también conocido como coenyme II), se derivan de la nicotinamida.
La mayoría de los alcaloides contienen una estructura de anillo de piperidina o piridina, entre ellos la piperina (que constituye uno de los contenidos de sabor afilado de la pimienta negra y blanca) y la nicotina. Sus estructuras se muestran a continuación.

La piridina que una vez se extrajo del alquitrán de hulla pero ahora se prepara catalíticamente a partir de amoníaco y alcohol tetrahidrofurfurílico es un intermediario crucial y un disolvente utilizado para fabricar otros compuestos. Las vinilpiridinas son bloques de construcción de monómeros cruciales de los plásticos, y la piperidina totalmente saturada y la piridina se utilizan como materia prima química y procesamiento del caucho.

Piridinas farmacéuticamente útiles

Las piridinas farmacéuticamente útiles incluyen la hidrazida del ácido isonicotínico (tuberculostat isoniazid), el medicamento contra el SIDA conocido como nevirapina, nicorandil - avasodilatador utilizado para controlar la angina, fenazopiridina, el analgésico del tracto urinario y el antiinflamatorio sulfa. Diflufenican, clopyralid, paraquat y diquat son derivados populares de piridina que se utilizan como herbicidas.

Anillos de 6 con 2 o más heteroátomos

Los heterociclos de anillo de seis miembros monocíclicos 3 con heteroátomos de nitrógeno 2 (diazinas) están numerados y nombrados como se muestra a continuación.

La hidrazida maleica es un derivado de piridazina utilizado como herbicida. Algunas pirazinas, como el ácido aspergílico, se producen naturalmente. Estas son las estructuras de los compuestos antes mencionados:

El anillo de pirazina es un componente de diversos compuestos policíclicos de importancia industrial y biológica. Los miembros importantes de la familia de pirazina son fenazinas, aloxazinas y pteridinas. Farmacológicamente y biológicamente, los diazines más cruciales son pirimidinas. La citosina, timina y uracilo son las 3 de las bases de nucleótidos 5 que constituyen el código genético en ARN y ADN. A continuación están sus estructuras:

La vitamina tiamina tiene un anillo de pirimidina y, además de los barbitúricos sintéticos que incluyen amobarbital, son fármacos de uso común. La morfolina (matriz tetrahidro-1,4-oxazina) se produce a gran escala para su uso como fungicida, inhibidor de corrosión y disolvente. El anillo de morfolina también se encuentra en la droga hipnótica sedante trimetozina y algunos fungicidas como fenpropimorf y tridemorph. Aquí está la fórmula estructural para la morfolina:

Anillos de 7

A medida que aumenta el tamaño del anillo, aumenta enormemente la variedad de compuestos que se pueden obtener variando la ubicación, el tipo y el número de heteroátomos. Sin embargo, la química de los heterociclos con anillos de miembros 7 o más está menos desarrollada que la de los compuestos heterocíclicos de los anillos 6 y 5.
Los anillos de oxepina y azepina son componentes cruciales de varios productos metabólicos de origen natural de organismos marinos y alcaloides. El derivado de azepina conocido como caprolactama se produce comercialmente a granel para su uso en la fabricación de nylon-6 como producto intermedio y en la producción de cuero sintético, revestimientos y películas.
Los compuestos heterocíclicos de 7 con dos o un átomo de nitrógeno en su anillo son unidades estructurales de psicofármacos usados ​​ampliamente Prazepine (antidepresivo tricíclico) y tranquilizante diazepam también conocido como valium.

Anillos de 8

Los ejemplos de compuestos heterocíclicos en esta clase incluyen azocano, oxocano y tiocano, siendo el nitrógeno, el oxígeno y el azufre los heteroátomos respectivos. Sus respectivos derivados insaturados son azocina, oxocina y tiocina, respectivamente.

Anillos de 9

Los ejemplos de compuestos heterocíclicos en esta clase incluyen azonane, oxonane, y thionane con el nitrógeno, el oxígeno, y el sulfuro que son los heteroátomos respectivos. Sus respectivos derivados insaturados son azonina, oxonina y tionina, respectivamente.

Usos de compuestos heterocíclicos

Los heterociclos son útiles en varias áreas de las ciencias de la vida y la tecnología. Como ya hemos visto en nuestra discusión, muchas drogas son compuestos heterocíclicos.

Referencias

IUPAC Gold Book, compuestos heterocíclicos. Enlazar:

WH Powell: Revisión del sistema de nomenclatura Hantzsch-Widman ampliado para heteromonociclosen Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

A. Hantzsch, JH Weber: Ueber Verbindungen des Thiazols (Pyridins der Thiophenreihe)en Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1887, 20, 3118-3132

O. Widman: Zur Nomenclatur der Verbindungen, Welche Stickstoffkerne enthaltenen J. Prakt. Chem. 1888, 38, 185-201;