G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata

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1 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. La presenza dell eteroatomo facilita la formazione e la rottura del ciclo mentre la presenza del ciclo ne orienta i doppietti elettronici influenzando la reattività e la conformazione dell eterociclo. 1 La chimica dei composti eterociclici Nomenclatura degli eterocicli saturi La nomenclatura degli eterocicli saturi divide il nome in tre parti: Eteroatomo dimensioni dell anello grado di insaturazione az (N) ir = 3 oss (O) et = 4 ti (S) ol = 5 = 6 ep = 7 oc = 8 ene o ine se insaturi idine o ane se saturi Az-ir-idinaidina az-et-idina oss-ir-ano di-oss-ol-ano 2

2 Eterocicli saturi 3 Cicli a tre atomi: ossirani, aziridine e tiirani Gli eterocicli a tre atomi, a causa della tensione di anello, reagiscono facilmente con nucleofili. Epossidi o ossirani (eteri ciclici) 4

3 Reazioni di sostituzione stereospecifica (S N 2) 5 Controllo regiochimico della reazione Sostituzione alla posizione meno sostituita -meno ingombrata 6

4 Apertura di anello nucleofila, acido catalizzata opposta regiochimica 7 Controllo della regiochimica della sostituzione ph 7 ph 3.8 8

5 Sintesi di epossidi Sostituzione nucleofila Ossidazione elettrofila Ossidazione nucleofila 9 Aziridine (ammine cicliche) Sintesi L addizione a aziridine avviene in maniera analoga a quanto avviene con gli epossidi 10

6 Racemizzazione delle Aziridine (processo molto più lento rispetto alle ammine lineari) Le aziridine possono essere a loro volta dei nucleofili 11 Cicli a tre atomi: ossirani, aziridine e tiirani 12

7 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. 13 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. Prodotto contro il mal di macchina tranquilizzante14

8 Sintesi di enammine (Pirrolidina) Queste enammine sono piuttosto stabili poiché la pirrolidina o la piperidina sono più nucleofile delle corrispondenti ammine alifatiche. Questo è comune a tutte le ammine cicliche ed è un effetto di origine sterica 15 Nucleofilicità di ammine terziarie Confrontate i valori delle pka delle ammine terziarie con quelle secondarie: 16

9 Un protone è troppo piccolo per risentire degli effetti sterici. Invece la presenza di altri eteroatomi sull anello influenza notevolmente la pka. La presenza di un gruppo elettron attrattore diminuisce la densità elettronica sull azoto rendendolo meno basico e meno nucleofilo. Per cui la morfolina può essere una base molto utile: meno basica della trietilammina til i ma più basica della piridina idi (pka=5.2). I due valori di pka della piperazina e del DABCO (8.8 e 3.0) sono così diversi per l effetto elettron-attrattore dell ammina protonata sulla non protonata. 17 La reazione di Baylis-Hillmann DABCO buon nucleofilo e buon gruppo uscente 18

10 Basi forti non nucleofile LDA Ancora più selettiva dell LDA 19 1,3-ditiani (acil anioni equivalenti) Un atomo di zolfo è in grado di stabilizzare un anione adiacente. L anione può essere generato per semplice reazione con un alchil litio. Questi sistemi vengono definiti acil anioni equivalenti o acil sintoni i L anione dell analogo ciclo a 5 termini, 1,3-ditiolano, non è stabile edecompone 20

11 1,3-ditiani (acil anioni equivalenti) E come se, formalmente, avesse reagito un acil anione, sistema che non esiste 21 Umpolung della reattività Passando da chetone a ditiano si inverte la polarità dell atomo di carbonio da elettrofilo a nucleofilo 22

12 23 Rimozione gruppo ditianico (più stabili dei diossani all idrolisi) Esercizio: sebbene l anione del ditiolano decompone, la reazione mostrata avviene. Suggerire un possibile meccanismo 24

13 Dire se queste reazioni sono S N 1 o S N 2 e motivare la regiochimica osservata Indicare la stereochimica dei prodotti ottenuti Individuare gli intermedi di questa sintesi e proporre un meccanismo 25 Piridina: eterociclo analogo al benzene che può comportarsi da base e da nucleofilo Il doppietto elettronico non condiviso della piridina giace nel piano dell anello anello, lo stesso su cui giaccioni i legami C-H 26

14 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 27 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 alogenuru primari e secondari (meglio con MeI e PhCH 2 X) 28

15 La piridina agisce anche da legante per metalli di transizione. per esempio il complesso di Collins CrO 3 /Py 2 che viene usato per l ossidazione selettiva di alcoli primari ad aldeidi 29 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 30

16 La principale differenza nella reattività della piridina rispetto al benzene è che non subisce sostituzione aromatica elettrofila facilmente Se si analizzazano 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 elettrofile per due ragioni principali: 1. L anello è elettron deficente a causa della presenza dell azoto (EWG) 2. Il centro più nucleofilo della piridina è l atomo di azoto. Se un elettrofilo reagisce con l azoto l anello diventa ancor più elettron-povero e quindi ancor meno reattivo. Si ha reazione solo in condizioni molto drastiche 31 La sostituzione avviene solitamente in posizione 3, che è la meno povera di elettroni. 32

17 La presenza di gruppi elettron donatori attiva la molecola nei confronti degli elettrofili e le reazioni possono avvenire in condizioni più blande Se in 3 vi è un sostituente la posizione che viene attivata dipende dalla natura del sostituente: se è un forte gruppo attivante questo prevale (primo caso) se invece è poco attivante si ha la sostituzione in posizione meta (secondo caso). 33 Esercizio: quale è il prodotto maggioritario atteso nelle seguenti reazioni? 34

18 Le piridine non sono buoni substrati per le sostituzioni elettrofile per cui non sono inerti nei confronti dei nucleofili. Vi è una certa analogia tra la reattività delle piridine e quella dei composti carbonilici. 35 Addizione nucleofila di composti organometallici e/o basi forti Un nucleofilo carico reagirà con una 2-alopiridina portando al prodotto di sostituzione. Questo processo è assimilabile alla reazione di un acil cloruro con un nucleofilo Come qualsiasi quasas reazione azon di addizione- zon eliminazione di derivati degli acidi carbossilici, si ha la formazione di un intermedio tetraedrico stabilizzato per risonanza, seguito dall eliminazione dello ione Br - che ripristina il sistema aromatico. 36

19 Esercizio: 4-alopiridine reagiscono facilmente con nucleofili. Proporre un meccanismo per la reazione seguente e spiegare perchè la trasformazione avviene così facilmente. 37 Un esempio più sorprendente dell addizione-eliminazione eliminazione nucleofila è la sintesi delle 2-amino piridine, ottenute per trattamento della piridina con sodio ammide. La reazione avviene in maniera analoga alle 2-alopiridine, solo che in questo caso il gruppo uscente è uno ione idruro. In questo caso la driving force che permette di eliminare un idruro è il ripristino della aromaticità del sistema 38

20 Lo ione idruro che viene eliminato reagisce con il nuovo gruppo amminico (pka=35) generando H 2 e spostando a destra l equilibrio Gli alchil litio reagiscono nello stesso modo. In questo caso gli ioni i idruro vengono eliminati i i con il work-up acquoso 39 Non tutti i nucleofili reagiscono in posizione 2 alla piridina. In particolare nucleofili meno forti di un ammide o un reagente organo litio non reagiscono con la piridina stessa ma con suoi derivati carichi positivamente quali un N- ossido e un sale di N-alchil piridinio. Di fatto si ha competizione tra la reattività in posizione 2 e l addizione coniugata, analogamente a quanto avviene con gli enoni. L addizione coniugata può anche avvenire su gruppi insaturi esociclici 40

21 L addizione di uno ione idruro a un anello piridinico è alla base di molto processi riduttivi in ambiente biologico Il NAD + è in grado di ossidare alcoli a composti carbonilici mediante formale addizione di un idruro al NAD +. La reazione avviene in posizione 4 poichè il processo avviene all interno di un sito attivo enzimatico, ma il processo è del tutto analogo a quanto visto in precedenza. 41 Con sistemi artificiali l addizione avviene generalmente in posizione 2 La riduzione più proseguire portando alla tetraidro piridina neutra 42

22 Deprotonazione di alchil piridine Alcune alchil piridine possono essere deprotonate in presenza di basi forti (pka=20). Si genera un carbanione analogo ad uno ione enolato. Possono fornire reazioni di sostituzione o addizione a carbonili 43 I derivati delle 2-alchil piridine sono ancor più acidi. La reazioni con aldeidi fornisce il prodotto insaturo, analogamente a quanto avviene nella condensazione aldolica mista. 44

23 Le diazine manifestano reattività simili alla piridina NH 2 N H N O O N H NH O O N H NH Citosina Timina Uracile O La pirimidina è il più importante eterociclo di questo gruppo poiché questo sistema è alla base di tre delle basi degli acidi nucleici. Questi derivati sono basi più deboli della piridina e praticamente inerti nei confronti delle sostituzioni elettrofile aromatiche. Al contrario sono molto più reattive nei confronti di basi e nucleofili, in particolar modo la pirimidina nella quale una posizione a in α a due atomi di idrogeno. Le reazioni di sostituzioni avvengono fino ad un milione di volte più velocemente rispetto all analoga piridina. 45 Anche altre trasformazioni sono facilitate alla posizione 2 (per esempio la condensazione aldolica catalizzata da acidi di Lewis) Esercizio: Proporre un meccanismo ragionevole per la seguente reazione di addizione- eliminazione 46

24 Le chinoline e isochinoline sono piridine con anelli benzenici fusi che sono correlati strutturalmente con il naftalene Grazie alla presenza dell anello benzenico la chinolina e la isochinolina subiscono facilmente sostituzione elettrofila alla porzione carbociclica 47 Reazioni nucleofile invece avvengono all anello piridinico Per le isochinoline l atomo di carbonio tra l azoto e l anello benzenico è più attivata e quindi la reazione nucleofila avviene prevalente in questa posizione. 48

25 Sintesi di chinoline Mentre le piridine vengono preparate da precursori adatti che si ottengono dal carbone o derivati del petrolio, le chinoline vengono generalmente ottenute a partire da derivati dell anilina. Sintesi di Skraup: in questa sintesi si parte dall addizione coniugata dell anilina all acroleina. Nelle condizioni fortemente acide richiesta dalla reazione, si genera un intermedio carbocationico. 49 L intermedio carbocationico subisce un alchilazione elettrofila all anello benzenico seguita da una deidratazione che fornisce una diidrochinolina. La chinolina viene ottenuta in seguito a ossidazione 50

26 Sintesi di Friedlander: inizialmente si ottiene un ammino chetone via condensazione aldolica mista. L ammino chetone autocondensa generando l anello con la concomitante formazione di un doppio legame C=N (legami imminico) Esercuzio: proporre un meccanismo per la seguente reazione di Friedlander. 51 Il pirrolo è un eterociclo pentaatonico contenente un atomo di azoto. Ha una struttura simile all anione ciclopentadienile Il doppietto elettronico è coinvolto nel sistema aromatico: il pirrolo è un derivato aromatico ed è una base debole. Viene protonato difficilmente (protonazione al carbonio è favorita). pka pirrolo protonato= -4 52

27 Analizzando le strutture di risonanza del pirrolo si vede che tutti i carboni hanno parziale carica negativa. Questo lo rende reattivo nei confronti degli elettrofili. Il pirrolo gioca un ruolo fondamentale nei sistemi biologici che sono in grado di chelare i metalli quali le porfirine e le clorine: il sistema a base di queste strutture è la porfina, un sistema coniugato planare a 18 elettroni 53 Il complesso di ferro della protoporfirina IX, comunemente chiamata eme, è il sistema funzionale presente nell emoglobina e nella mioglobina, usata dai mammiferi per il trasporto e accumulo di O 2. La clorofilla ha un macrociclo dello stesso tipo chiamato clorina, nel quale un doppio legame di uno dei pirroli è stato ridotto. Il sistema rimane comunque aromatico. 54

28 Il pirrolo può essere preparato in molti modo, ma il più semplice è quello di far reagire un dichetone con un ammina. Nel processo si ha la formazione di un immina, un addizione nucleofila dell azoto al secondo composto carbonilico, eliminazione d acqua e deprotonazione 55 Furano e tiofene hanno strutture simili al pirrolo L eteroatomo contribuisce all aromaticità del sistema con uno dei doppietti di elettroni non condivisi. Il secondo doppietto è perpendicolare al sistema Π. L energia di stabilizzazione del sistema aromatico per il furano è di 11 kcal/mol l (benzene: 36 kcal/mol). l) Per cui il furano subisce reazioni i di addizione piuttosto che sostituzione. 56

29 Il furano viene facilmente idrolizzato in condizioni acide. La protonazione dell ossigeno, seguita da attacco nucleofilo dell acqua porta alla fomazione di due funzioni carboniliche (1,4 dichetone). 57 Il furano subisce reazioni tipiche dei dieni: addizione a bromo in 1,4 e reazioni di cicloaddizione (reazione di Diels-Alder) 58

30 Mentre il furano reagisce generalmente come un diene, il pirrolo lo fa raramente. L anello del pirrolo è elettron ricco e facilmente subisce reazioni di sostituzione elettrofila (a differenza della piridina). Per esempio reagisce con anidride acetica per dare il 2-acetil pirrolo senza bisogno di catalizzatore (acilazioni di Friedel-Craft) Perchè la reazione avviene in 2? Sistema più stabilizzato per risonanza 59 Le reazioni del pirrolo con reagenti elettrofili vengono complicate dalla sua instabilità in presenza di acidi minerali, che spesso portano a polimerizzazione. La nitrazione, ad esempio, viene effettuata in condizioni più blande utilizzando acetil nitrato. Una delle applicazioni più interessanti delle addizioni elettrofile al pirrolo è la sintesi del nucleo porfirinico. 60

31 I passaggi fondamentali sono i seguenti: Formazione dell elettrofilo Sostituzione al pirrolo in 2 Protonazione all alcol e uscita di acqua genera un nuovo carbocatione 61 Sustituzione al pirrolo in 2 dipirrilmetano Incorporazione di un altro pirrolo via sostituzione elettrofila 62

32 Con sequenze di reazioni analoghe si ottiene un tetrapirrolo lineare che ciclizza per portare ad un precursore della porfirina 63 Un ossidazione converte il tetrapirrolo nella tetrafenil porfirina aromatica 64

33 Il furano e il tiofene anche subiscono facilmente sostituzioni elettrofile. Il furano reagisce con l anidride acetica ma in presenza di un acido di Lewis L acetil nitrato reagisce con il furano via addizione 1,4. In presenza di una base, si può rimuovere il protone in α al gruppo nitro rigenerando il sistema aromato mediante eliminazione di uno ione acetato. 65 Il tiofene è un po meno sensibile all ambiente acido. E comunque più reattivo del benzene. 66

34 Esercizio: quale è il prodotto atteso dalle seguenti reazioni? 67 L indolo è l analogo del pirrolo analogamente alla chinolina e piridina In questo caso il benzene ha una maggiore influenza sulla reattività dell eterociclo, come si vede dalle formule di risonanza riportate di seguito. 68

35 In questo caso il benzene ha una maggiore influenza sulla reattività dell eterociclo, come si vede dalle formule di risonanza riportate di seguito. Le strutture evidenziate mostrano come la posizione in 3 sia la più reaqttiva nei confronti di un elettrofilo, al contrario del pirrolo nel quale la posizione più reattiva è quella in Reazione di Mannich: Predirre la regiochimica delle reazion di sostituzione per l indolo non è così facile come per altri eterocicli. I risultato spesso dipendono dalle condizioni di reazione. 70

36 E interessante vedere che l anello indolico nel triptofano ha la catena laterale attaccata in posizione 3. Questa catena origina da una serina 71 La sostituzione elettrofila con l indolo porta, dopo idrolisi ad otetnere il triptofano. 72

37 Gli azoli sono composti eterocicli pentaatomici che hanno 2 eteroatomi Nell imidazolo un azoto è simile al pirrolo, partecipa al sistema Π e ha un CH nel piano, mentre l altro ha un doppietto lontano dall anello, analogamente alla piridina. E più basico della piridina: perchè? 73 Un azolo reagisce facilmente come nucleofilo, grazie all azoto basico. Si possono facilmente isolare i sali per reazione con alchil alogenuri L imidazolo può essere trattato con una base fora per fornire un nucleofilo ancor più forte. La reazione con in RX fornisce un alchil imidazolo Regiochimica 74

38 Se l azoto è già alchilato, in presenza di una base forte si ha deprotonazione al carbonio in 2. Alchil litio puà reagire con un elettrofilo quale un C=O. Il tiazolo reagisce analogamente. Questa reattività è profondamente diversa da quanto si ottiene con la piridina. Un alchil litio da una reazione di sostituzione in 2. Per avere una piridina litiata bisogna eseguire uno scambio alogeno-metallo 75 Gli azoli subiscono reazioni di sostituzione elettrofila aromatica. A causa della loro aromaticità gli azoli possono fornire reazioni di sostituzione elettrofila aromatica. L imidazolo ha una reattività intermedia tra il pirrolo e la piridina ed è più reattivo del tiazolo e dell ossazolo. La posizione 4 è più reattiva. Le posizione 4 e 5 dell imidazolo sono equivalenti poichè il proptone può dissociare dall N1 e reagire con l N3. E un processo di tautomeria. 76

39 Preparazione degli azoli: generalmente si utilizzano clorometil o aminometilchetoni con amidi, urea o tiourea Un tiazolo alchilato è un importante porzione della vitamina B 1 77