Compuesto heterocíclico
Un compuesto heterocíclico o estructura de anillo es un compuesto cíclico que tiene átomos de al menos dos elementos diferentes como miembros de su(s) anillo(s). La química heterocíclica es la rama de la química orgánica que se ocupa de la síntesis, propiedades y aplicaciones de estos heterociclos.
Los ejemplos de compuestos heterocíclicos incluyen todos los ácidos nucleicos, la mayoría de los medicamentos, la mayor parte de la biomasa (celulosa y materiales relacionados) y muchos colorantes naturales y sintéticos. Más de la mitad de los compuestos conocidos son heterociclos. El 59% de los medicamentos aprobados por la FDA de EE. UU. contienen heterociclos de nitrógeno.
Clasificación
El estudio de la química heterocíclica se centra especialmente en los derivados insaturados, y la preponderancia del trabajo y las aplicaciones implica anillos de 5 y 6 miembros no deformados. Se incluyen piridina, tiofeno, pirrol y furano. Otra gran clase de heterociclos se refiere a los fusionados con anillos de benceno. Por ejemplo, los derivados bencénicos fusionados de piridina, tiofeno, pirrol y furano son quinolina, benzotiofeno, indol y benzofurano, respectivamente. La fusión de dos anillos de benceno da lugar a una tercera gran familia de compuestos. Los análogos de los heterociclos mencionados anteriormente para esta tercera familia de compuestos son acridina, dibenzotiofeno, carbazol y dibenzofurano, respectivamente.
Los compuestos heterocíclicos se pueden clasificar de manera útil en función de su estructura electrónica. Los heterociclos saturados se comportan como los derivados acíclicos. Así, la piperidina y el tetrahidrofurano son aminas y éteres convencionales, con perfiles estéricos modificados. Por tanto, el estudio de la química heterocíclica se centra en los anillos insaturados.
Anillos inorgánicos
Algunos heterociclos no contienen carbono. Los ejemplos son borazina (anillo B3N3), hexaclorofosfacenos (anillos P3N3) y S 4N4. En comparación con los heterociclos orgánicos, que tienen numerosas aplicaciones comerciales, los sistemas de anillos inorgánicos son principalmente de interés teórico. IUPAC recomienda la nomenclatura de Hantzsch-Widman para nombrar compuestos heterocíclicos.
Notas sobre las listas
- "Heteroatoms" son átomos en el anillo que no son átomos de carbono.
- Algunos de los nombres se refieren a clases de compuestos en lugar de compuestos individuales.
- Tampoco se intenta listar isómeros.
Anillos de 3 miembros
Aunque sujetos a la tensión del anillo, los anillos heterocíclicos de 3 miembros están bien caracterizados.
Anillos de tres miembros con un heteroátomo
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Boron | Borirane | Borirene |
| Nitrogen | Aziridine | Azirine |
| Oxygen | Oxirana (óxido de etileno, epoxidos) | Oxirene |
| fósforo | Phosphirane | Phosphirene |
| Sulfuro | Thiirane (episulfides) | Thiirene |
Anillos de tres miembros con dos heteroátomos
| Heteroatoms | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| 2× Nitrogen | Diaziridine | Diazirine |
| Nitrógeno + oxígeno | Oxaziridine | |
| 2× Oxygen | Dioxirane (muy inestable) |
Anillos de 4 miembros
Anillos de cuatro miembros con un heteroátomo
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Azetidine | Azete |
| Oxygen | Oxetane | Oxete |
| fósforo | Phosphetane | Phosphete |
| Sulfuro | Thietane | Thiete |
Anillos de cuatro miembros con dos heteroátomos
| Heteroatoms | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| 2× Nitrogen | Diazetidine | Diazete |
| 2× Oxygen | Dioxetane | Dioxete |
| 2× Sulfur | Dithietane | Dithiete |
Anillos de 5 miembros
Anillos de cinco miembros con un heteroátomo
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Antimonio | Stibolane | Stibole |
| Arsenic | Arsolane | Arsole |
| Bismuth | Bismolane | Bismole |
| Boron | Borolane | Borole |
| Nitrogen | Pyrrolidine ("Azolidine" no se usa) | Pyrrole ("Azole" no se usa) |
| Oxygen | Tetrahidrofuran | Furan |
| fósforo | Phospholane | Fósforo |
| Selenio | Selenolane | Selenophene |
| Silicon | Silacyclopentane | Silole |
| Sulfuro | Tetrahydrothiophene | Thiophene |
| Tellurium | Tellurophene | |
| Tinta | Stannolane | Stannole |
Anillos de cinco miembros con dos heteroátomos
Los compuestos de anillo de 5 miembros que contienen dos heteroátomos, al menos uno de los cuales es nitrógeno, se denominan colectivamente azoles. Los tiazoles y los isotiazoles contienen un azufre y un átomo de nitrógeno en el anillo. Los ditiolanos tienen dos átomos de azufre.
| Heteroatoms | Saturated | Insaturado (y parcialmente insaturado) |
|---|---|---|
| 2× nitrógeno | Imidazolidine Pyrazolidine | Imidazole (Imidazolina) Pyrazole (Pyrazolina) |
| Oxígeno + azufre | Oxathiolidine Isoxthiolidine | Oxathiole (Oxathioline) Isoxathiole |
| Nitrógeno + oxígeno | Oxazolidine Isoxazolidine | Oxazol (Oxazolina) Isoxazole |
| Nitrógeno + azufre | Thiazolidine Isothiazolidine | Thiazole (Thiazoline) Isothiazole |
| 2× oxígeno | Dioxolane | |
| 2× azufre | Dithiolane |
Anillos de cinco miembros con al menos tres heteroátomos
También existe un gran grupo de compuestos de anillo de 5 miembros con tres o más heteroátomos. Un ejemplo es la clase de ditiazoles, que contienen dos átomos de azufre y un átomo de nitrógeno.
| Heteroatoms | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| N | Triazoles | |
| N N O | Furazan Oxadiazole | |
| N S | Thiadiazole | |
| N O O | Dioxazole | |
| N S | Dithiazole | |
| N N | Tetrazole | |
| N N N N | Oxatetrazole | |
| N N N | Thiatetrazole | |
| N N N N | Pentazole |
Anillos de 6 miembros
Anillos de seis miembros con un heteroátomo
| Heteroatom | Saturated | Insaturado | Iones |
|---|---|---|---|
| Antimonio | Stibinin | ||
| Arsenic | Arsinane | Arsinine | |
| Bismuth | Bismin | ||
| Boron | Borinane | Borinine | Boratabenzene anion |
| Germanium | Germinane | Germine | |
| Nitrogen | Piperidine (Azinane no se usa) | Pyridine (Azine no se usa) | Pyridinium cation |
| Oxygen | Oxane | Pyran (22)H-Oxina no se usa) | Pyrylium cation |
| fósforo | Phosphinane | Phosphinine | |
| Selenio | Selenane | Selenopyran | Cación de selenopirilio |
| Silicon | Silinane | Siline | |
| Sulfuro | Thiane | Thiopyran (22)H-La cocaína no se usa) | Cation de Thiopyrylium |
| Tellurium | Tellurane | Telluropyran | Cación de Telluropyrylium |
| Tinta | Stanninane | Stannine |
Anillos de seis miembros con dos heteroátomos
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrógeno / nitrógeno | Diazinane | Diazine |
| Oxígeno / nitrógeno | Morpholine | Oxazine |
| Azufre / nitrógeno | Thiomorpholine | Thiazine |
| Oxígeno / Sulfuro | Oxathiane | Oxathiin |
| Oxígeno / oxígeno | Dioxane | Dioxine |
| Sulfuro / azufre | Dithiane | Dithiin |
| Boron / nitrógeno | 1,2-Dihidro-1,2-azaborina |
Anillos de seis miembros con tres heteroátomos
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Triazinane | Triazine |
| Oxygen | Trioxane | |
| Sulfuro | Trithiane |
Anillos de seis miembros con cuatro heteroátomos
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Tetrazine |
La carborazina es un anillo de seis miembros con dos heteroátomos de nitrógeno y dos heteroátomos de boro.
Anillos de seis miembros con cinco heteroátomos
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Pentazine |
Anillos de seis miembros con seis heteroátomos
El compuesto hipotético con seis heteroátomos de nitrógeno sería la hexazina.
La borazina es un anillo de seis miembros con tres heteroátomos de nitrógeno y tres heteroátomos de boro.
Anillos de 7 miembros
En un anillo de 7 miembros, el heteroátomo debe poder proporcionar un orbital π vacío (por ejemplo, boro) para "normal" estabilización aromática para estar disponible; de lo contrario, la homoaromaticidad puede ser posible. Los compuestos con un heteroátomo incluyen:
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Boron | Borepin | |
| Nitrogen | Azepane | Azepine |
| Oxygen | Oxepane | Oxepine |
| Sulfuro | Thiepane | Thiepine |
Los que tienen dos heteroátomos incluyen:
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Diazepane | Diazepine |
| Nitrogen/sulfur | Thiazepine |
Anillos de 8 miembros
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Azocane | Azocine |
| Oxygen | Oxocane | Oxocine |
| Sulfuro | Thiocane | Thiocine |
La borazocina es un anillo de ocho miembros con cuatro heteroátomos de nitrógeno y cuatro heteroátomos de boro.
Anillos de 9 miembros
| Heteroatom | Saturated | Insaturado |
|---|---|---|
| Nitrogen | Azonane | Azonine |
| Oxygen | Oxonane | Oxonine |
| Sulfuro | Thionane | Thionine |
Imágenes de anillos con un heteroátomo
- Los nombres en cursiva son retenidos por IUPAC y no siguen la nomenclatura Hantzsch-Widman
| Saturated | Insaturado | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Heteroatom | Nitrogen | Oxygen | Sulfuro | Nitrogen | Oxygen | Sulfuro | |
| Anillo de 3 átomos | Aziridine | Oxirane | Thiirane | Azirine | Oxirene | Thiirene | |
 |  |  |  |  |  | ||
| Anillo de 4 átomos | Azetidine | Oxetane | Thietane | Azete | Oxete | Thiete | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 5-Atom Ring | Pyrrolidine | Oxolane | Thiolane | Pyrrole | Furan | Thiophene | |
 |  |  |  |  |  | ||
| Anillo de 6 átomos | Piperidine | Oxane | Thiane | Pyridine | Pyran | Thiopyran | |
 | .svg) |  |  |  |  | ||
| 7-Atom Ring | Azepane | Oxepane | Thiepane | Azepine | Oxepine | Thiepine | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 8-Atom Ring | Azocane | Oxocane | Thiocane | Azocine | Oxocine | Thiocine | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 9-Atom Ring | Azonane | Oxonane | Thionane | Azonine | Oxonine | Thionine | |
 |  |  |  |  |  | ||
Anillos fusionados/condensados
Los sistemas de anillos heterocíclicos que se derivan formalmente por fusión con otros anillos, ya sean carbocíclicos o heterocíclicos, tienen una variedad de nombres comunes y sistemáticos. Por ejemplo, con los heterociclos de nitrógeno insaturado condensados con benzo, el pirrol proporciona indol o isoindol dependiendo de la orientación. El análogo de piridina es quinolina o isoquinolina. Para azepina, benzazepina es el nombre preferido. Asimismo, los compuestos con dos anillos de benceno fusionados al heterociclo central son carbazol, acridina y dibenzoazepina. El tienotiofeno es la fusión de dos anillos de tiofeno. Los fosfafenalenos son un sistema heterocíclico que contiene fósforo tricíclico derivado del carbociclo fenaleno.
Historia de la química heterocíclica
La historia de la química heterocíclica comenzó en el siglo XIX, al mismo ritmo que el desarrollo de la química orgánica. Algunos desarrollos dignos de mención:
1818: Brugnatelli aísla el aloxano del ácido úrico
1832: Dobereiner produce furfural (un furano) al tratar el almidón con ácido sulfúrico
1834: Runge obtiene pirrol ("aceite de fuego") por destilación seca de huesos
1906: Friedlander sintetiza el tinte índigo, lo que permite que la química sintética desplace a una gran industria agrícola
1936: Treibs aísla derivados de clorofila del petróleo crudo, lo que explica el origen biológico del petróleo.
1951: Se describen las reglas de Chargaff, destacando el papel de los compuestos heterocíclicos (purinas y pirimidinas) en el código genético.
Usos
Los compuestos heterocíclicos son omnipresentes en muchas áreas de las ciencias de la vida y la tecnología. Muchos fármacos son compuestos heterocíclicos.
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