Doku - Ejercicios quimica heterociclica PDF

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PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICAHETEROCÍCLICADr. Eleuterio Burgueño TapiaIINDICEPrólogo IINomenclatura de compuestos heterocíclicos 1Heterociclos no aromáticos de tres miembros 3Heterociclos no aromáticos de cuatro, cinco y seis miembros 6Heterociclos aromáticos de cinco miembros con un heteroátomo 10(f...

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PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

Dr. Eleuterio Burgueño Tapia

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

INDICE Prólogo

II

Nomenclatura de compuestos heterocíclicos

1

Heterociclos no aromáticos de tres miembros

3

Heterociclos no aromáticos de cuatro, cinco y seis miembros

6

Heterociclos aromáticos de cinco miembros con un heteroátomo

10

(furano, pirrol y tiofeno) Anillos benzofusionados (indol, benzofurano y benzotiofeno)

13

Azoles

17

Piridina

21

Quinolina e isoquinolina

24

Diazinas

27

SOLUCIONES Nomenclatura de compuestos heterocíclicos

32

Heterociclos no aromáticos de tres miembros

33

Heterociclos no aromáticos de cuatro, cinco y seis miembros

35

Heterociclos aromáticos de cinco miembros con un heteroátomo

38

(furano, pirrol y tiofeno) Anillos benzofusionados (indol, benzofurano y benzotiofeno)

40

Azoles

43

Piridina

46

Quinolina e isoquinolina

48

Diazinas

51

I

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

PROLOGO “Problemas básicos de química heterocíclica” es una colección de problemas básicos seleccionados para ayudar a los estudiantes de cursos introductorios de química heterocíclica a reafirmar los conceptos adquiridos en el aula. “Problemas básicos de química heterocíclica” inicia con una serie de problemas de nomenclatura común y sistemática, haciendo particular énfasis en el sistema de nomenclatura de reemplazamiento, continúa con la síntesis y reactividad de compuestos heterocíclicos de tres, cuatro, cinco y seis miembros no aromáticos, enseguida cuestiona sobre las propiedades físicas, métodos de obtención y reactividad de los sistemas heterocíclicos aromáticos de cinco miembros (furano, pirrol y tiofeno), así como de sus sistemas benzofusionados (indol, benzofurano y benzotiofeno). Finalmente, se presentan problemas relacionados con los sistemas aromáticos en donde están involucrados heterociclos de seis miembros con un heteroátomo (piridina, quinolina, isoquinolina) y con dos heteroátomos (diazinas). Los problemas pretenden hacer que los estudiantes piensen sobre los conceptos que han estudiado, que los apliquen con precisión y los relacionen con los conceptos adquiridos en sus cursos de química orgánica. Al final de “Problemas básicos de química heterocíclica” se muestran las respuestas de más de la mitad de las cuestiones para que el estudiante pueda autoevaluar su habilidad en la solución de problemas que involucran métodos de síntesis, reactividad y mecanismos de reacción. Espero que “Problemas básicos de química heterocíclica” sea en realidad lo que acabo de exponer. Si no fuera así, cualquier sugerencia será bienvenida.

México, D. F., octubre de 2001 Eleuterio Burgueño Tapia

II

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

NOMENCLATURA DE COMPUESTOS HETEROCICLICOS 1. Escriba un nombre alternativo usando la nomenclatura de reemplazamiento. La numeración que se muestra para algunos compuestos corresponde a nombres aceptados por la IUPAC en donde aquella difiere de la usada en el sistema de reemplazamiento.

a)

b)

S

O

c)

d) 10

9

e)

H N

O

1

S

8

2 3

7

S

6

5

Nafto[2,3-b]tiofeno O

tioantreno

f)

furano

4 10

9

O

S

8

h)

g)

2 3

7

O

6

H N

1

5

Fenoxatina

4

H N

i)

pirrol

j)

N

imidazol

N k)

piridina

N

l)

N m)

pirazina N N

N

pirimidina

n)

N piridazina

1

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

N o)

p)

indol

N H N

q)

isoquinolina

quinolina

r)

2 1

3 5

10

4

6

9

s)

N

8 7

fenantridina

8

10

2 6

S

fenotiazina

v)

acridina

1

9

cromano

4

5

H N

O w)

3

O

3

7

4

2

1

N

10

N

7 8

6 9

u)

5

t)

carbazol

N H

isocromano

x)

H N

pirrolidina H N

y) piperidina

z) N H

piperazina

2

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

HETEROCICLOS NO AROMATICOS DE TRES MIEMBROS 1. Describa las características de la síntesis de oxiranos usando: a) Un alqueno y un perácido b) Una halohidrina en medio básico c) La condensación de Darzen 2. Describa las características de la síntesis de Gabriel y la síntesis de Wenker para aziridinas. 3. Indique el producto orgánico esperado de las siguientes reacciones.

CF3 COOOH

a)

Br 2 / H 2 O

b)

_ HO

OH _

CF3 COOOH

c)

d) El producto de a)

_ e) El producto de b)

_ (CH3 )2+SOCH2

O

SCN f)

O g)

H

O

_

+

(CH3)2 SOCH2

O

O

H N

O b)

Ph

H (CH3 )2+SOCH2

h)

4. Proponga una síntesis para lo siguientes compuestos.

a)

SCN

c) Ph

3

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

5. Escriba un mecanismo lógico que explique las siguientes transformaciones O O +

a)

N

b)

O

N O

N3

+

N N N

NH3

Cl HO

c)

_

H N

H

H

6. Cuál de las siguientes reacciones se llevan a cabo más rápidamente O a)

OOH

+

O Cl

ó

O OOH

O

+

Cl O

O H

b)

+

ó

(CH3N)3P

O O

H +

NO 2

NO 2

(CH3N)3P NO 2

4

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

7. Escriba el mecanismo general de la apertura de heterociclos de tres miembros por reactivos nucleofílicos. 8. Indique cuál es el producto principal de las siguientes reacciones. O

CH3O

a)

S

CH3O

b)

H N

O

c)

_

+

S

d)

O _

+

_

O

Ph

O O O

e)

+

PhCH 2MgBr

9. Indique cuál es la influencia del sustituyente sobre la apertura electrofílica de heterociclos de tres miembros. 10. Muestre el producto de las siguientes reacciones. O

O HCl

a)

HCl

b) NO2

O HI

c) F

F

11. Escriba los reactivos o productos que hacen falta en la siguiente secuencia de reacciones. NH2

NH2

NH2

OH

H2SO 4 dil. frío

KOH

O NHCH3

5

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

HETEROCICLOS DE CUATRO, CINCO Y SEIS MIEMBROS NO AROMATICOS 1. De las siguientes transformaciones, la que corresponde al inciso b) ocurre con mejores rendimientos ¿Por qué?. a)

Br

O

OH O

b)

Br

KOH

O S

O

O

2. ¿Cuál de las siguientes transformaciones tiene mejores posibilidades de ocurrir?. O

OH a)

Br

o

KOH O

Br OH

KOH

OH b)

O F

KOH

o

OH

O I

KOH

3. Escriba una secuencia lógica de reacciones para las siguientes transformaciones. O

O a)

F

I

+

S O

NH2

NaOH 5%

S N O

O O

b)

OH NaOH 5% Br

+

O

CH2

+

CO2

6

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

4. Escriba el producto orgánico esperado de las siguientes reacciones. O a)

O

+

CH3 MgBr

O

+

PhMgI

NH2 O b) NH2 O c)

+

Ph

H d)

f)

N

+

C O

N

C O

+

N

g)

hv

Ph

N C O

+

Ph

h)

N

+

NH C O

5. Escriba un mecanismo de reacción lógico que justifique los productos de la siguiente reacción. _ t-BuO TsO

OH

O

+

O

7

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

6. La reacción de β-haloácidos con un equivalente de base a temperatura ambiente y en condiciones de pH controlado se emplea para generar β-lactonas. Este método en ocasiones se complica por la formación de un alqueno a través de una ruta que involucra descarboxilación. Explique con un ejemplo. 7. Los siguientes son ejemplos típicos de la reactividad general de los heterociclos análogos del ciclobutano. Escriba el producto orgánico esperado. a)

b)

+

S

2 HI

+

NH

2

OH

+

H

O c)

+

O

H

H2O18

d) O

N

e) N H

N

hv -

f)

1. Ph Li

+

Ph

O N

2. H

+

+

O g)

Ph

HCl N H

N

8

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

8. Sugiera un mecanismo razonable para la siguiente transformación. O

HCl Cl

OH

9. Explique cuáles son los factores que hacen que las reacciones de ciclización directa para la formación de anillos de 5 y de 6 miembros ocurra en rendimientos menores que lo que ocurre con la formación de anillos de tres. 10. Proponga una ruta de síntesis para los siguientes compuestos.

a)

b)

N H c)

N H O

O

d) S

COOH

O

O

N H

e)

11. Proponga una secuencia lógica de reacciones que explique la siguiente transformación. CN H2 / Pt O

N H

9

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

HETEROCÍCLOS AROMÁTICOS DE CINCO MIEMBROS CON UN HETEROÁTOMO (Furano pirrol y tiofeno) 1. Justifique con estructuras resonantes el carácter aromático, la dirección del momento dipolar y la fuerza básica del furano, pirrol y tiofeno. 2. Escriba la secuencia de reacciones que tienen lugar en la obtención del furfural a partir del tratamiento ácido de cascarilla de avena, olote de maíz, etc.. 3. Describa las características generales de la síntesis de Paal-Knorr para la obtención de derivados de furano, pirrol y tiofeno. 4. Proponga un ejemplo de obtención de un derivado de tiofeno usando la síntesis de Hinsberg. 5. Usando como material de partida a compuestos no heterocíclicos, sugiera una síntesis para los siguientes compuestos.

a)

O

b) Ph

O

Ph

O

O

N H

O

OH c)

d)

NO2

Cl S

O

6. Partiendo del sistema heterocíclico correspondiente, proponga una síntesis para los compuestos que se mencionan a continuación.

a)

c)

O2 N

O

O

COOH

NO 2

b)

d)

OH O

O O

10

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

7. Prediga cuál es el producto principal de las siguientes reacciones. a)

NO 2

HNO 3

HNO 3

b)

O

S

NO2 Br 2

c) O

8. El pirrol reacciona con bromuro de etil magnesio seguido de yoduro de metilo para dar 2- y 3-metilpirrol. Explique este resultado usando estructuras resonantes. CH2CH2MgBr

CH3I

+

N H

N H

N H

9. Sugiera una secuencia de reacciones para la siguiente transformación. O

O

O

O NaOH

Cl

O

O O

11

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

ANILLOS BENZOFUSIONADOS (Indol, benzofurano, benzotiofeno) 1. De los sistemas aromáticos benzofurano, indol y benzotiofeno se dice que la posición 2 y 3 muestran gran densidad electrónica. Explique ésta observación con estructuras resonantes. 2. La síntesis más común para derivados del indol es la síntesis de Fisher. Describa las características generales. 3. A través de la síntesis de Fisher no es posible obtener al indol sin sustitución en el anillo de pirrol. ¿Por qué?. 4. Escriba el mecanismo de reacción de la siguiente transformación. Ph Ph N H

N

AcOH

+

NH3

N H

5. De la siguiente transformación indique en dónde queda el nitrógeno marcado isotópicamente.

N H

N*

AcOH

NH3

+

N H

6. Usando fenilhidrazina y un compuesto carbonílico, escriba una secuencia adecuada para la obtención de indol. 7. Describa con un ejemplo de cada una las síntesis de indoles de Madelung, Bischer, Reissert y Nenitzescu. 8. Escriba el producto orgánico esperado de las siguientes condiciones de reacción. O O

H

a)

+

OH

Cl b) O

O

O

NaOH

O

_ CH3O CH3OH

Br2

KOH ∆

C 10H8O2

12

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

9. Escriba una secuencia de reacciones para cada una de las transformaciones del problema 8. 10. Los siguientes ejercicios son ejemplos de métodos de obtención de compuestos benzofusionados aromáticos. Escriba el o los productos orgánicos esperados en cada una de las condiciones de reacción.

a)

N

N H

ZnCl2

b) NO2

N

N H

H

c) NO 2

O

N H O

+

H

_ CH3 O CH 3OH

O _ CH3O CH3 OH

Ph

d) N H

O

NO2 1. NH2

e) N H

_

2. H2O

O O O

f) N H

N

PCl 3

H3O

+

∆

13

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

NO 2 _ 1. NH 2

O

g)

+

S

2. H

O

_ 1. NH2

h)

+

N

N

2. H

O O

i) NH2

O

Zn / H

+

H3O

+

∆

O j)

NH2

+

Br

O

k)

O

O

O

1. SOCl2 2. AlCl3

OH

l)

O

S

1. SOCl2 2. AlCl3

Br Ph

O

m)

+

Br

NH2

14

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

O H

n)

+

H3 O

1. NaOH 2. ClCH2 COOCH2CH3

OH O H

o) SH

H3O

1. NaOH

+

2. BrCH2 COOCH2CH3

11. Escriba el producto orgánico principal de las siguientes reacciones de sustitución electrofílica aromática. O

a)

+

O

Cl

b)

HNO3

+

O O c)

+

N

NH

d)

+

CH2O

+

H

O O

e)

NO2

+

N H f)

Cl

+

CH3I

N H

15

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

O g)

NO 2

+

ZnCl2

O

S

h)

O

NO 2

+

Br2

O NO 2

+

H

O +

i) O

Cl

16

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

AZOLES 1. Escriba un nombre aceptable para cada uno de los siguientes compuestos.

N

N a)

b) O

O

NO2

c) O

N

N

d)

e)

Br

N H

Ph

N

f)

N

S

S N

g)

h) Cl

O

O

N

N i)

HO O

k)

Br

j)

N H

N H

N H

N

O

2. Escriba una secuencia lógica de reacciones para las siguientes transformaciones orgánicas. O a)

+

O

H2NOH

O +

H

N

N

+

O

17

PROBLEMAS BÁSICOS DE QUÍMICA HETEROCÍCLICA

O

Ph

O

b) Ph

H2NOH

+

Ph

+

H

Ph

N

O

O H c)

PhNHNH2

+

H

N

+

N

O

Ph

3. De los isómeros formados en 2a, ¿cuál espera que sea el producto principal?. 4. Una síntesis alternativa para la obtención de 1,2-azoles...