Heterocyclische Verbindungen

Heterocyclische Verbindungen, ringförmige chemische Verbindungen, in denen neben dem Kohlenstoff auch andere Elemente enthalten sind. Zu diesen so genannten Heteroatomen gehören meist Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel, in selteneren Fällen auch Phosphor, Iod, Bor, Metalle usw. Ganz allgemein lässt sich die Gruppe der heterocyclischen Verbindungen (kurz: Heterocyclen) aufgrund ihrer Ringgröße, der darin enthaltenen Heteroatome und ihres Sättigungsgrades unterteilen. Üblich ist auch die Einteilung analog zu offenkettigen Verbindungen, d. h. allein aufgrund des Sättigungsgrades. Man erhält so die drei Gruppen Heterocycloalkane, -alkene und Heteroaromaten. Diese Art der Einteilung ist aus chemischer Sicht sinnvoll, da sie die physikalisch-chemische Ähnlichkeit der ringförmigen und der entsprechenden offenkettigen Verbindungen widerspiegelt. So sind z. B. cyclische Ester (Lactone) den offenkettigen sehr ähnlich.

Die heterocyclischen Verbindungen sind eine sehr umfangreiche Stoffklasse, die viele natürliche und synthetische Farbstoffe, pharmakologisch wirksame Substanzen (z. B. die Alkaloide), Vitamine und ähnliche Stoffe umfasst. Von besonderer Bedeutung sind die Heteroaromaten. Sie haben eine planare Struktur und weisen, ähnlich wie das Benzol, ein Elektronensextett auf. Ihre Chemie ist aber wegen der zusätzlichen Heteroatome sehr viel komplexer als bei den einfachen Aromaten.

Die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) hat für die Benennung heterocyclischer Verbindungen eine systematische Nomenklatur entwickelt. In der Praxis sind aber nach wie vor die historisch bedingten Trivialnamen von großer Bedeutung. Der systematische Name für Heterocyclen besteht aus einer Vorsilbe, die die Art des Heteroatoms bezeichnet (Sauerstoff: Ox-, Stickstoff: Az-, Schwefel: Thi- etc.). Im zweiten Teil des Namens wird die Ringgröße und der Sättigungsgrad angegeben. Bei der Nachsilbe wird in einigen Fällen noch zwischen stickstoffhaltigen und anderen Ringen unterschieden. Die Nummerierung der Ringmitglieder beginnt mit dem Heteroatom als Nummer eins. Falls ein zweites Heteroatom vorliegt, wird der Ring in der Richtung durchlaufen, die zu den kleinsten Nummern für die Heteroatome führt.

Die in der Natur bedeutendsten und chemisch stabilsten heterocyclischen Verbindungen sind diejenigen, die Fünf- oder Sechsringe ausbilden. Zu den bedeutendsten aromatischen Fünfring-Heterocyclen gehören Pyrrol, Imidazol, Furan und Thiophen. Diese Verbindungen werden zu den elektronenreichen Heterocyclen gezählt. Sie gehen daher leicht Reaktionen mit elektrophilen (elektronensuchenden) Reagenzien ein. Viele Naturstoffe enthalten Fünfring-Heterocyclen. So bestehen Eiweiße (siehe Proteine) u. a. aus der Aminosäure Histidin, einem Derivat des Imidazols. Pyrrol kommt, eingebunden in größere Ringsysteme, in den Bausteinen des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin bzw. im grünen Blattfarbstoff Chlorophyll vor. Zu den gesättigten Fünfring-Heterocyclen gehört das Pyrrolidin, das in der Aminosäure Prolin enthalten ist, und das Tetrahydrofuran, das als Lösungsmittel Bedeutung hat. Hauptvertreter der Sechsring-Heterocyclen ist das Pyridin, das zu den elektronenarmen Heteroaromaten zählt. Eine bekannte Verbindung, in der Pyridin und Pyrrolidin enthalten sind, ist das Nikotin. Besonders häufig kommen in der Natur die Sechsring-Heterocyclen mit mehreren Stickstoffatomen vor. So sind einige Bausteine der Nucleinsäuren (z. B. DNA oder RNA) Derivate des Pyrimidins. Auch Vitamin B₁ oder die in vielen Schlafmitteln enthaltenen Verbindungen der Barbitursäure gehören zu den vom Pyrimidin abgeleiteten Stoffen. Heterocylen können auch Bestandteil größerer, kondensierter Ringsysteme sein. Hierzu gehört das Indol, von dem sich die Aminosäure Tryptophan und der blaue Jeans-Farbstoff Indigo ableiten. Ein weiteres Beispiel ist das Purin, ebenfalls einer der Bausteine von Nucleinsäuren.