Chimica organica - chimica eterociclica

La chimica dei composti eterociclici

Gli eterocicli sono composti ciclici nei quali almeno un atomo del ciclo non è carbonio. Gli eterocicli più comuni contengono azoto, ossigeno o zolfo, ma anche derivati contenenti boro, silicio, fosforo o arsenico stanno assumendo una certa importanza. Gli eterocicli vengono classificati come aliciclici o aromatici. Negli eterocicli aromatici un doppietto elettronico dell’eterociclo può partecipare al sistema aromatico o essere ortogonale. Eterocicli contenenti azoto sono molto importanti nei sistemi biologici.

Cicli a tre atomi: ossirani, aziridine e tiirani

Ossirano Aziridina Tiirano. Gli eterocicli a tre atomi, a causa della tensione di anello, reagiscono facilmente con nucleofili.

Epossidi o ossirani (eteri ciclici)

• Controllo regiochimico della reazione
• Sostituzione alla posizione meno sostituita - meno ingombrata
• Apertura di anello nucleofila, acido catalizzata opposta regiochimica

Controllo della regiochimica della sostituzione pH 7 pH 3.8.

Aziridine (ammine cicliche)

Sintesi. L’addizione ad aziridine avviene in maniera analoga a quanto avviene con gli epossidi. Racemizzazione delle aziridine (processo molto più lento rispetto alle ammine lineari). Le aziridine possono essere a loro volta dei nucleofili. La reattività dei tiirani è molto simile a quella degli ossirani. Nel caso di attacco nucleofilo da parte di ammine primarie la multialchilazione può costituire un problema (come nel caso degli alogenuri alchilici).

Cicli a quattro atomi: ossetani, azetidine e tietani

Gli eterocicli a quattro atomi sono anch’essi in grado di reagire con nucleofili anche se la reattività è molto inferiore.

Cicli a cinque atomi: tetraidrofurano, pirrolidina e tetraidrotiofene

Gli anelli a 5 atomi sono essenzialmente inerti alla sostituzione nucleofila. Questi derivati si comportano esattamente come gli analoghi derivati lineari. Si ottengono molto facilmente per sostituzione nucleofila intramolecolare (S_I) a partire dai corrispondenti 4-alogeno derivati.

Le reazioni di cicloaddizione 1,3 dipolari sono importanti metodi di sintesi di eterocicli a 5 membri. L’andamento delle reazioni di cicloaddizione può essere anticipato sulla base della simmetria degli orbitali di frontiera di diene e dienofilo. Gli orbitali di frontiera danno il contributo maggiore al guadagno energetico dovuto al mescolamento degli orbitali dei reagenti.

LUMO HOMO Gli orbitali di etilene e butadiene si ottengono dal mescolamento, rispettivamente, di due orbitali atomici p e da due molecole di etilene. Interazioni tra gli orbitali di frontiera di etilene e butadiene. Interazione tra gli orbitali di frontiera di due molecole di etilene possibile geometria di avvicinamento. Reazioni di cicloaddizione permesse e vietate dalla geometria degli orbitali frontiera.

Effetti secondari nelle reazioni di cicloaddizione: controllo della stereochimica dei prodotti. La velocità delle reazioni di cicloaddizione è controllata dalla differenza di energia degli orbitali di frontiera. Il sostituente influenza sia l’energia degli orbitali di frontiera dell’alchene che del diene, modificando la coppia di orbitali di frontiera che controllano la velocità della reazione.

Un 1,3-dipolo è, dal punto di vista degli elettroni, equivalente ad un anione allilico (al posto dei C ci sono eteroatomi nella sintesi di eterocicli). LUMO Anche la simmetria degli orbitali di frontiera è identica a quella di un diene. HOMO La regiochimica della cicloaddizione dipende dalla dimensione degli orbitali coinvolti nella formazione dei nuovi legami: massima interazione per orbitali con la stessa dimensione.

Una cicloaddizione 1,3-dipolare

• Possibili 1,3 dipoli (dieni equivalenti)
• Esempi di reazioni di cicloaddizioni 1,3-dipolari

Piridina: eterociclo analogo al benzene

La piridina può comportarsi da base e da nucleofilo. Il doppietto elettronico non condiviso della piridina giace nel piano dell’anello, lo stesso su cui giacciono i legami C-H. Il fatto che il doppietto elettronico non condiviso dell’azoto giaccia sul piano dei legami CH ha un importante ricaduta sulla sua reattività: la piridina può agire da base o nucleofilo senza che questo rompa il sistema aromatico. La piridina può essere usato come un solvente. Oltre a solubilizzare i composti, la piridina può anche agire da base (ione piridinio, pKa = 5.2). La piridina può anche agire da nucleofilo con alchil alogenuri primari e secondari (meglio con MeI e PhCH₂X). La piridina agisce anche da legante per metalli di transizione. Py che viene usato per esempio nel complesso di Collins CrO₃ per l’ossidazione selettiva di alcoli primari ad aldeidi.

Sintesi di piridine

1,5-dicarbonyl. A) X=N: NH₃ XX HNHH 3 - 2 H ON NOO 2 HO OHHB) XX Enammina (or anilina) OHOHH OHH HHH HO - 2 H OH N 2±H₂±HOOO NH NH NN₂ HO H. In condizioni fortemente ossidanti non si ha ossidazione all’anello piridinico ma ai sostituenti in anello analogamente a quanto avviene con il benzene. L’azoto piridinico è però suscettibile di ossidazione fornendo il corrispondente N-ossido. La principale differenza nella reattività della piridina rispetto al benzene è che non subisce sostituzione aromatica elettrofila facilmente. Se si analizzano le formule di risonanza della piridina si vede come in diverse di esse vi sia una carica negativa sull’azoto. La piridina non reagisce nei confronti delle sostituzioni aromatiche.