UNIDAD 2. QUÍMICA del Pirrol, furanoy tiofeno 31

Transcripción

1 UNIDAD 2 QUÍMICA del Pirrol, furanoy tiofeno 31

2 eterocíclosaromáticos de 5 miembros Aromaticidad es el átomo más electronegativo. Efecto atrayente de electrones menor cesión del par a la deslocalización aromática. 32

3 Compuestos representativos 33

4 Resonancia en los heterociclos de 5 miembros 34

5 Momentos dipolares. Polarización molecular 35

6 La retrosíntesis La retrosíntesises una herramienta que nos permite elucidar teóricamente la ruta sintética hacia la consecución de las moléculas de interés. Es especialmente útil en síntesis de heterocíclos. Igualmente tanto a nivel laboratorio como en las rutas que ocurren en matrices alimentarias. 36

7 Pueden existir más de una ruta retrosintética. 37

8 38

9 Construcción de anillo por ciclación iónica ANILLS DE 5 MIEMBRS IDEALMENTE DESDE 1,4-DICARBNÍLICS 39

10 FURANS 40

11 Síntesis de Furanos El Furano se puede obtener de su derivado 2-aldehído(FURFURAL). El FURFURAL se obtiene con facilidad por hidrólisis de polisacáridos de cáscaras de avena u otras sustancias naturales que contienen fragmentos de pentosas, comomazorcasdemaízypaja La aromaticidad del furanoes en general más baja que para tiofeno y pirrol 41

12 Mecanismo de formación de furaldehídodesde una pentosa C C C C Cl C C 12% Cl C C 2 C C C C C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 D-xilosa C 2 C C C Cl 2 C C C C C C C 2 C Cl C 2 C 2 2 C C C C C Cl C C 42

13 Síntesis de Paal-Knorrde Furanos Calentamiento de un 1,4-dicarbonílico enolizable en medio ácido. Ejemplo 43

14 Mecanismo de Paal-Knorra Furanos Esta reacción es más favorable en presencia de ácido sulfúrico o fosfórico que Cl 44

15 Síntesis de Furanospor la reacción de FEIST-BENARY Reacción entre una α-haloacetonao aldehído con un β cetoéster o β-dicetona en condiciones básicas 45

16 Mecanismo de Feist-Benary Ejemplo Primero condensación aldólica seguido de ataque nucleófilo intramolecular de tipo C-alquilación 46

17 Mecanismo competitivo en Feist-Benary En algunos casos como tenemos competencia con la reacción de C-alquilación seguida de una reacción tipo Paal-Knorrpara dar producto minoritario (1). En algunos casos podemos controlar eso en condiciones más básicas (2). (REPASAR Q-II Condensación aldólicavs C-alquilación en α halocarbonilo) Cl Condiciones más suaves ataque a C a carbonilo EtNa/Et CEt -Cl Me CEt B Me Tipo Paal-Knorr (catalizado por base luego desf avorable) - 2 Me CEt (1) Me Me Me Me Na, 2 Me CEt B Me -Cl - 2 CEt Me (2) Condiciones más f uertes Cl Condensación aldólica Típicamente Feist-Benary (Para evitar mezclas de minoritario mejor base f uerte) Mayoritario 47

18 Pirroles 48

19 Síntesis comercial de Pirroles Mediante destilación fraccionada de alquitrán de hulla y aceite de hueso, o haciendo pasar furano, amoniaco y vapor sobre catalizador de alúmina a 400 C. En un segundo proceso se puede añadir amina primaria y se obtiene Pirrol N-sustituido 49

20 Síntesis de Paal-Knorrde Pirroles Calentamiento de 1,4-dicarbonílico en presencia de amoniaco o amina primaria 50

21 Mecanismo de la Síntesis de Paal-Knorr a Pirroles 51

22 Síntesis de Knorrde Pirroles Ciclocondensaciónentre α-aminocarbonílicoa un 1,3-dicarbonílico en presencia de base. Seguido de deshidratación R 1 CEt R 1 CEt R 1 CEt R 2 N 2 R 3 R 2 N R 3 R 2 N R 3 B CEt Mecanismo R 1 CEt R 3 R 2 N R 3 52

23 Síntesis de Knorrde Pirroles tra posible ruta de mecanismo sugiere la presencia de un intermedio β-enaminona. Seguida de adición nucleófilaintramolecularcatalizada (asistida) por base y eliminación. 53

24 Síntesis de antzsch 1,3-dicarbonilo (cetoéster) + amoniaco + α-halocarbonilo Primero ataque nucleófilo del amoniaco a 1,3-dicarbonilo (cetoéster) Seguido de N-alquilación a α-halógeno carbonilo Por último ataque nucleófilointermolecular al carbonilo catalizado por base 54

25 Mecanismo secundario en antzsch R 3 N 2 X X R 3 R 1 R 3 N N R 1 R 2 enamina R 1 R 2 X R 2 -/+ Esta ruta es menos factible porque la amina es más propensa a N-alquilación que ataque a C carbonilo R 1 2 R 3 N R 2 55

26 TIFENs 56

27 Tiofeno La síntesis comercial de tiofenos se realiza con 2 S o fuentes de azufre mayormente pentasulfidode fosforo o el trisulfuro de fósforo. El tiofeno es líquido, p.eb. 84 C, que se encuentra en el alquitrán de hulla. Su presencia como contaminante en el benceno derivado de alquitrán se detectó en 1882 y se denominó tiofeno para resaltar su aparente similitud con el benceno 57

28 Síntesis de Paal-Knorr 1,4-dicarbonilo reacciona con fuente de azufre seguido de ataque nucleófilo interno 58

29 Síntesis de insbergde Tiofenos Compuestos 1,2-dicarbonílicos condensan (Medio básico) con tiodiacetaleso tiobismetilencetonas para dar tiofenos disustituidos: (2,5-diácidos o dicetonas) 59

30 Mecanismo de insberg 60

31 UNIDAD 2 Continuación: La reactividad de los anillos de 5 miembros con un heteroátomo 61

32 Reacción de Diels-Alder. Dieno rico en electrones reacción favorecida

33 Diels Alder en tiofenos. Dieno activado R S C C R R 160 C S R C 2 Cl 2 S ExoyEndo 63

34 J! El Pirrol Reacciona con bases. Naturaleza ácida del protón en N. pka=

35 Reacciona con reactivos de Grignard o litiados 65

36 La sustitución electrófila aromática (S E Ar) X E X E X E - X E X E X E Arribaesmáseficientequeabajo Más estructuras resonantes Mayoritario Complejo X X - X E E E Complejos La adición en C-2 es la más probable! 66

37 DIAGRAMA DE ENERGIA DE UNA S E Aren ETERCÍCLS DE 5 MIEMBRS 67

38 Reactividad frente a S E Ar Energía de resonante (E R )/Estabilidad aromática PUEDE TENER EXPLICACIÓNEN LA ELECTRNEGATIVIDAD DE LS ETERÁTMS (3.5) > N (3.1) > S (2.4) Azufre es menos electronegativo su par e - más cedido a la aromaticidad mayor E R menor S E Ar 68

39 Por qué pirrol es más reactivo que furanofrente a S E Ar? E R de pirrol > furan: Tendría que ser al revés pero pasa lo contrario debido a estabilidad adicional del intermedio N estabiliza mejor la carga positiva que. Analogía con iónamonio + N 4 69

40 EJEMPLS (Pueden ser los mismos vistos en S E Arde bencenos) Acilación Nitración 70

41 Metalación Reacción de adición 1,4. Los furanos actuan como 1,3-dienos conjugados Me Me Br Br Br Br 71

42 Acilación a tiofeno Metalacióny S N Ar 72

43 R C N Cl S E Aren Pirroles R N C N N C R N R N 2 2 N R 73

44 Reacción con sales de diazonio para dar azo compuestos idroximetilación 74

45 S E Arcon heterociclos de 5 miembros con un eteroátomosustituidos 75

46 Cuando posición C2 y C4 están sustituidas la reacción transcurre por C3 o C4 R X mayoritario R SEAr En sustitución C2 y C5 asimétrica siempre hay una posición más favorecida para S E Ar minoritario 76

47 Cuando en posición C3 hay un electrodonador C2 X SEAr i)cn,cl ii) 2 C Gr Electrodonador C 3 C 3 S S S S N 3 N 2 N 2 N 2 etc... (C 3 C) 2 Br Br Br Br S N 2 Br 77

48 Cuando en C3 hay un electroatractor C5 Mayor número de estructuras resonantes y más estables 78

49 Con electroatractor en C3 79

50 Con electrodonador en C2 C5 80

51 J con electrodonador en C2 pueden haber mezclas en tiofenos En el tiofeno este efecto se observa por ser menos reactivo frente a la S E Ar. El S es menos electronegativo (menos efecto inductivo) luego tiene más peso el grupo electrodonador. 81

52 Con electroatractor en C2 C5 o C4 N 2 N 3 (C 3 C) 2 2 N El azufre y nitrógeno son menos electronegativos N 2 Menor efecto orientador 2 N N 3 S N 2 (C 3 C) 2 2 N N 2 N S 2 N S 2 (85%) (15%) N 3 N N 2 (C 3 C) 2 N 2 N N N 2 N 2 (80%) (20%) 82

53 Con electroatractor en C2 El es el mas electronegativo luego tiene mayor efecto orientador. C N 3 (C 3 C) 2 2 N C No hay mezclas 2 N N 3 S C (C 3 C) 2 2 N C 2 N S S (50%) (50%) C N 3 N C (C 3 C) 2 N 2 N C C N (67%) (33%) 83

54 Esquema general 84

55 Polimerización y apertura de anillo En furano o tiofeno Igualmente polimerización en pirrol 85

56 UNIDAD 2 Formación de monoheterocíclosde 5 miembros EN ALIMENTS 86

57 Ruta sin nitrógeno (caramelización) Azúcares reductores y aminoácidos o proteínas Ruta de Maillard N-glicosilaminas o N-fructosilaminas 2-amino-2-deoxi-1-aldosa (Intermedio de Amadori) o 1-amino-1-deoxi-2-ketosa (Intermedio de eynes) N 3 2 S Furanos Tiofenos Pirroles Degradación de lípidos Reductonas o dehidrorreductonas (1,2-dicarbonilos) α-idroxicarbonilos (+ Acetaldehido) Condensación retroaldólica aminoácidos 1,2-dicarbonilos (GLIXLES) (+Gliceroaldehído) Degradación de Strecker Aldehídos α-aminoketonas C 3 S, N 3, 2 S Pirroles, xoazoles, Tiazoles, Imidazoles, Piridinas, Pirazinas 87

58 Reacciones o transformaciones básicas que ocurren en alimentos que dan lugar a precursores (segmentos) de los compuestos heterocíclicos 88

59 Transformaciones de los azúcares a 1,2-dicarbonilo (reductonas) en medio básico B B C C C C C C aldohexosa C C C C C C B cetohexosa C C C C 2 C 2 enodiol C 2 C 2 C C Equilibrio cetoenólico C C C C C C C C 2 C C C C C 2 C 2 C 2 Reductona 89

60 Mecanismo de formación de reductona en medio ácido (deshidratante) 1,2-dicarbonilo α,β-insaturado La diferencia es que obtenemos un aldehído mientras en medio básico es una cetona terminal En medio básico se establece equilibrio aldosa-cetosapero eso no ocurre en medio ácido 90

61 Caramelización desde una cetosa en medio ácido? 91

62 Formación de glioxales desde azúcares (También se conoce como piruvaldehído) 92

63 CNDENSACIÓN ALDÓLICA Y RETRALDÓLICA R Base 2 C R retroaldólica Ejemplo: Formación de metilglioxal(piruvaldehído) C C C C C C C C 3 C 2 C C Metilglioxal ( piruvaldehí do) Gliceraldehí do R C 2 REDUCTNA (DESDE MEDI ÁCID) 93

64 Retroaldólica a partir de reductona desde medio básico 3 C C C C C 2 C 3 C C 2 Glicoldioxal 2 C Glicolaldehí do 2 Reductona desde medio básico Glioxal 94

65 RETRALDÓLICA DESDE DEXISNA 95

66 Formación del glioxaldesde glicolaldehído 2 Fotólisis, T C Glicolaldehí do 2 C Glioxal 96

67 Retroaldólica desde reductona 97

68 Precursores de heterocíclicos desde la degradación de lípidos epoxiheptenal 98

69 La reacción de Maillard También conocida como glicación o glicosilación no enzimática. Conjunto de reacciones químicas que ocurren en los alimentos investigada por Louis Maillarden 1912 en donde interviene proteína Las reacciones de Maillarddan lugar oscurecimiento o pardeamiento no enzimático en los alimentos. Producción de compuestos responsables de los aromas y sabores (volátiles). Da lugar a una gran cantidad de diferentes heterociclos. Los últimos compuestos dan la formación de compuestos de glicación avanzada (AGE) y algunos pueden ser tóxicos. 99

70 Condiciones o factores que afectan a Temperatura Maillard Tiempo Proporción y naturaleza de los reactivos Aw(P. vapor alimento/p. vapor de agua) Presencia de aminoácidos 100

71 Etapas de Maillard INICIAL: Compuestos de Amadorio eynes y posterior aminodesoxicetosas INTERMEDIA: Deshidratación / fragmentación / degradación FINAL: Formación de compuestos de alto peso molecular (polimerización) 101

72 La reacción inicial de Maillard desde aldosa FRMACIÓN DEL PRDUCT DE AMADRI 102

73 Desde una cetosa. Producto de eynes 103

74 Transformación de Amadori en medio básico enolización 2,3 Cetona terminal 104

75 Transformación de Amadori en medio ácido enolización 1,2 Aldehído terminal 105

76 B C C N Proteína C C N Proteína 2 C C N Proteína C Enolización C C C C C C C C C 2 C 2 C 2 Producto de eynes 2 Transformación desde eynes C C -RN 2 Químicamente se podría explicar una transformación desde eynes en medio ácido? C C C enolización C C 2 C C C Tarea! C 2 Reductona 3,4-insaturada C 2 Reductona (3-deoxisona) 106

77 Mecanismo de formación de glioxolesretraldólisis y 2 triplete C C C 2 C C C C 2 C C 3 Metilglioxal (Piruvaldehído) C 2 dihidroxiacetona C C C C 2 Reductona (3-deoxisona) C C 2 C C 3 Gliceraldehído Metilglioxal (aldehído pirúvico) 107

78 Mecanismo de formación de GLIXAL (intervención de 2 en forma triplete) y DIMETILGLIXAL (cetoreductona) GLIXAL a partir de 3-deoxisonas desde reordenamiento de Amadori en medio ácido. GLIXAL a partir de glicoaldehídospor la retroaldólisis de reductonas aldehído terminales. DIMETILGLIXAL a partir del reordenamiento de producto de Amadorien medio básico formación de reductona ceto-terminal Mecanismos ya vistos en páginas

79 La degradación de Strecker Aminoácido reacciona con reductona o glioxales Dependiendo del aminoácido puedo tener diferentes productos de degradación Aminoácido 1,2 dicarbonilo La degradación de Strecker involucra un aminoácido porque necesitamos la presencia de un grupo carboxílico vecinal al amino! 109

80 Mecanismo de degradación de Strecker R 1 N R C C R 1 R 2 N R C C 2 R 1 R 2 N R C C R 2 R 1 N C R R 1 N R C C 2 R 1 N R C R 2 R 2 R 2 La descarboxilación está favorecida al aumentar la T y en condiciones ligeramente ácidas R 1 N R C R 1 N 2 R 1 N 2 R 2 R R 2 R 2 ALDEIDS DE STRECKER -AMIN CARBNIL 110

81 Formación de amoniaco y ácido sulfhídrico a partir de intermedio de la degradación de Strecker cuando el aminoácido es cisteina A partir del intermedio descarboxilado

82 Degradación de aminoácidos y proteínas Cisteina Metionina metilmercaptano 112

83 Unidad 2 continuación: Posibles rutas a pirroles, furanosy tiofenos EN ALIMENTS 113

84 Formación de furano xidación lipídica tóxico 114

85 Mecanismo Formación de Isomaltol (y maltol) desde reductona en forma cetónica Poder Edulcorante 115

86 btención de furfural Al tener 5 C se forma desde pentosas Tóxico LD50 65 mg/kg 116

87 C C C B C C B 2 C 2 Reductona por reordenamiento de producto de Amadori medio ácido o eynes Mecanismo de formación de hidroximetulfurfural(mf) lor a pan MF 117

88 Polimerización de MF MF B3 2 Color dorado, da color tostado a pan 118

89 Formación de Furanmetanol desde Amadoripor otra ruta Color ambarino-café, contribuye al color, aparece en la texturización (puffing) de ginseng 119

90 Formación de 2-acetilfurano desde Amadori por otra ruta lores: dulce, cacao, caramelo, café 120

91 Formación de furanos Indicador de calidad de la Miel. Deterioro por calentamiento genera MF 121

92 Formación de furaneoldesde dioxales [] C 3 C 3 C 3 Glioxalmetilado C 3 lor a caramelo, fruta fermentada, tierra mohosa. Encontrado en fresas 2 Furaneol 122

93 Furanosvía peroxidaciónde lípidos 2 2 Compuesto 1,4 R R R 2 2-butenal 2, R R 123

94 Formación de pirroles C C C C C N R C 2 Desdihidroreductona desde Amadorimedio ácido o eynes. R N 2 N R 2 R N R N Contribución al color (amarillo) lores dulces, similares al MF 124

95 125

96 Formación de tiofenos C C C C C S C 2 2 S 2 S S S 126

97 (Medio básico) (ver página 108) α-amino carbonilo tra ruta a acetilpirroldesde 3-deoxisona pero vía degradación de Strecker sobre la reductona Transposición de 127

98 Pirroles desde ácidos grasos 128

99 Pirroles y tiofenos en alimentos Contribución de aromas característicos en: Almendras Esparrago Cebada tostada (cerveza) Carne (al vapor, rostizada, freída, enlatada) Cerveza Pastel Caseína (leche) Chocolate

100 Pirroles y tiofenos en alimentos Café uevo Licor Palomitas de maíz Salsa de soya Arroz Te Suero de leche 130

101 Formación de melanoidinas Es una sucesión de condensaciones vía adiciones electrofilas aromáticas a los anillos de pirrol 131

102 132

103 133

104 Las melanoidinas pueden ser polímeros de furanos, tiofenos, pirroles, cuerpos carbonados como reductonas y una combinación de estos. En los alimentos Son los encargados de dar ecolores pardos característicos del tostado, el freído o el horneado. 134

105 Formación de compuestos cromóforos C Glicina o Lisina 3 C N 3 C N CMPUEST CLRID 135

106 glucosa RN 2-2 NR - 2 NR R N N R N R CMPUEST CLRID 136