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• Aromatische und nichtaromatische Heterocyclen: Nomenklatur –Strukturen

• Nichtaromatische Heterocyclen: Elektronenstruktur, Ringspannung,Konformation, Stereochemie, Acidität

• Nichtaromatische Heterocyclen: Synthese und Reaktionen• Heteroaromaten: Elektronenstruktur, Aromatizität• Heteroaromaten: Synthese und Reaktionen• Heteroaromaten: Substanzklassen• Ausgewählte Topics: Heterocyclische Verbindungen in „life

science“ und Materialwissenschaften

Kapitel 3: Heteroalicyclen, Heteroaromaten

> Gliederung

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Bibliographie

! D. T. Davies, Aromatische Heterocyclen, BasistexteChemie, Vol. 1, VCH, Weinheim, 1995.

! A. F. Pozharskii, A. T. Soldatenkov, A. R. Katritzky,Heterocycles in Life and Society - An Introduction toHeterocyclic Chemistry and Biochemistry and the Role ofHeterocycles in Science, Technology, Medicine andAgriculture, John Wiley & Sons, Chichester, 1997.

! T. Eicher, S. Hauptmann, Chemie der Heterocyclen,Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1994.

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Nomenklatur: Hantzsch-Widman

ecanecin10

onanonin9

ocanocin8

epanepin7

an (inan)in6

olan (olidin)ol5

etan (etidin)et4

iran (iridin)iren (irin)3gesättigtungesättigtRinggrösse

X=SiR2; Sila-

X=PR; Phospha

X=NR; Aza-

X=Se; Selena-

X=S; Thia-X=O; Oxa-

(in Klammer: stickstoffhaltige Verbindungen)

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Nomenklatur∗ Trivialnamen∗ Substitutionsnomenklatur∗ Hantzsch-Widman-Nomenklatur

O NH

S O

S O

CH3NH

S

Cyclopropan OxacyclopropanOxiran

Ethylenoxid

AzacyclopropanAziridin

Ethylenimin

ThiacyclopropanThiiran

Oxiren

ThiacyclopentanTetrahydrothiophen

Thiolan

3-Methyloxacyclohexan3-Methyltetrahydropyran

AzacyclohexanPiperidin

Thiepin

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Heteroaromaten - Einige Basisstrukturen

O S NH

N

N

HN

NNN

N

H

N P N

NN N

N

O

NNH

NH

N

Furan Thiophen Pyrrol Imidazol Pentazol

+

Pyridin Phosphabenzol Pyrimidin 1,3,5-Triazin Pyrylium-Ion

Chinolin Benzo[b]pyrrolIndol

CarbazolDibenzopyrrol

AcridinBenzo[b]chinolin

Dibenzo[b,e]pyridin

(Phosphabenzen)

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Heteroaromaten: Basisstrukturen

N

N

N

N

H

1

3 9

7

N

N

N

NN

N

N

NH

NH2

N

N

N

N O

OH

H

(7H-Purin)

1

3

5

8

Purin Pteridin Adenin Isoalloxazin (Flavin)

1

5

810

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Elektronenstruktur und Spannungsenergie

O N

H

S

O

Me

OH

Spannungsenergie und Reaktivität

25 kcal/mol 14 kcal/mol13 kcal/mol 9 kcal/mol

+ C6H5MgBr H5C6-CH2-CH-CH3

" Dreiringverbindungen besitzen eine strukturtypische Elektronen-konfiguration mit vergleichsweise hohem p-Charakter der endocyclischenBindungen und höherem s-Charakter der exocyclischen Bindungen(Walsh-Modell, Bananenbindung). Diese Modelle erklären diephysikalischen und chemischen Eigenschaften: Basizität von Aziridin,Ionisationspotential von Aziridin, H-Brückenbindung zu Oxiran,spektroskopische Eigenschaften.

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Acidität und Struktur: pKa-Werte

N

HH

+

pka = 11.12

NH H

Welchen Wert hat der pkader protonierten Form von Morpholin?

Wieso ist protoniertes Aziridinstärker acid als protoniertesPiperidin?

pka = 8.04

+

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Stereochemie - Stereoisomerisierung

"Analysieren Sie die konformativeEigenschaften von N-Methylpiperidin.

Zeichnen Sie die beidenKonformationen der Sesselform.

Für die Isomerisierung gibt es zweiMechanismen. Welche?

NMe

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Synthese nichtaromatischer Heterocyclen (Heteroalicyclen)

• Cyclisierung von ω-Halogenalkoholen bzw. ω-Halogenalkylaminen (Verdünnungsprinzip)

• Kronenethersynthese (Templatsynthese)• [2+1]-Cycloaddition: Epoxidierung• [2+2]-Cycloaddition: Paterno-Büchi Reaktion

(Photochemie)• [3+2]-Cycloaddition: Styrol und

Phenylazid→Diphenyltriazolin (1,3-dipolareCycloaddition)

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Reaktionen nichtaromatischer Heterocyclen

• Ringöffnung von Dreiring und Vierringverbindungen:Addition eines Nucleophils; Katalyse. (Ringspannung,SN-Typ Reaktion)

• Carbonylumpolung: 1,3-Dithian-Chemie(Carbanionchemie)

• Tetrahydropyranyl-Schutzgruppe für Alkohole(Enoletherchemie)

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Heteroaromaten: Furan, Thiophen, Pyrrol, PyridinElektronenstruktur und molekulare Struktur

∗ Molekülorbitalmodell∗ Mesomeriestabilisierung (Aromatizität):

Benzol>Pyridin>Thiophen>Pyrrol>Furan∗ Elektronendichteverteilung: elektronenreiche (z.B. Pyrrol)

und elektronenarme Heterocyclen (z.B. Pyridin) –Analogie zu substitutierten Benzolen (Anilin bzw.Nitrobenzol)

∗ Basizität heterocyclischer Verbindungen (pKa derkonjugierten Säuren): Pyrrol (-3.8); Pyrimidin (1.0);Pyridin (5.2); Imidazol (6.8); Pyrrolidin (11.1)Vergleich Anilinium pKa: 4.6

∗ N-H Acidität (pKa ): Pyrrol (~17); Pyrrolidin (~36)

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Heteroaromaten: Furan, Thiophen, PyrrolAusgewählte Synthesen

∗ Paal-Knorr-Synthese: 2,5-Dimethylfuran∗ 1,3-Dipolare Cycloaddition: 1,5-Dialkyltetrazol aus Nitril

und Azid∗ 5-Hydroxymethylfurfural aus Hexose (Glucose, Fructose)

durch Reaktion in Wasser mit Schwefelsäure alsKatalysator

OHOCH2 CHOGlucose Fructose

5-Hydroxymethylfurfural

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Heteroaromaten: Furan, Thiophen, PyrrolAusgewählte Reaktionen

∗ Elektrophile Substitution: 2-Nitropyrrol, 3-Nitropyrrol(Nitroniumacetat)

∗ Porphinsynthese: Pyrrol-2-aldehyd/Ameisensäure∗ Ringöffnung: 2,5-Dimethylfuran (H+/erhitzen)→2,5-

Hexandion∗ Diels-Alder Reaktion: Furan reagiert mit

Acetylendicarbonsäurediethylester∗ Lithiierung von Thiophen: 2-Lithiumthiophen

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Heteroaromaten: Pyridine - Ausgewählte Synthesen

∗ Hantzsch Synthese substituierter Pyridine,Dreikomponentenreaktion: ß-Oxoester, Aldehyd,Ammoniak

∗ Übergangsmetallkatalysierte Cyclisierung

HC CHN CN

NN

2 +Co-Cat

2,2'-Pyridin

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Heteroaromaten: Pyridine - Ausgewählte Reaktionen

∗ Elektrophile Substitution: Pyridin-3-sulfonsäure∗ Pyridin-N-oxid: 4-Nitropyridin

N NO

NO

NO2

N

NO2

∗ Nucleophile Substitution: 2-Aminopyridin

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Ausgewählte Topics und Strukturen: Wirkstoffe,Vitamine, Neurotransmitter, Kronenether

N

N

O

Cl

CH3

N CH3

OHCH2OH

HOCH2

NH

HOCH2CH2NH2

N

NCH3 O

OO

OO

O

DiazepamValium

PyridoxinVitamin B6 Serotonin

(Neurotransmitter)

NicotinDibenzo[18]krone-6

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Ausgewählte Topics: Substanzklassen undAnwendungen∗ Thiolan/Diazolidinon: Biotin (Vitamin H)∗ 5-Pyrazolon (5-Oxo-4,5-dihydropyrazol, Tautomerie), Pyramidon∗ Imidazole: Histidin (Aminosäure)∗ 1,3-Dithiole: Tetrathiafulvalen (Organische Leiter, Supraleiter)∗ Indol (Fischer Indolsynthese), Tryptophan (Aminosäure)∗ Benzothiazol: Cyaninfarbstoffe, Luciferin (Glühwürmchen, Chemo-

und Biolumineszenz)∗ Indolderivate: Indigo (Farbstoff), Spiroindoline (Photochromie)∗ Vitamine und Coenzyme

− Vitamin B1, Thiaminpyrophosphat− Vitamin B6, Pyridoxalphosphat (PLP)

∗ Pyridiniumverbindungen: Bispyridiniumchlorid (Paraquat, Herbicid);Niacin, Nicotinamid-adenin-dinucleotid (Coenzym)

∗ 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin: Farbstoffchemie/Färbeverfahren∗ Chinolin (Skraup‘sche Chinolin-Synthese), (-)-Chinin (Chinolin-

Alkaloide)

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Ausgewählte Topics: Strukturen

S

NN HHO

O

O

NNO

CH3(H3C)2N

CH3

Ph H2NO

NN

OH

H

S

SS

S NH

H2NO

N

OH

H

S

N

S

N

S

NR R

S

N

S

N

HO

COOHH

Biotin (vitamin H)Pyramidon

[1-Phenyl-2,3-dimethyl-4-dimethyl-amino-

pyrazolon-(5)]L-Histidin

Tetrathiafulvalen(TTF)

IndolBenzo[b]pyrrol L-Tryptophan

Benzothiazol

+

n

Farbstoff vom CyanintypLuciferin

(Leuchtkäfer)

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Ausgewählte Topics: Strukturen

O NO2NMe

MeMe

N

N

N S

H3C

NH2 H

H3C

OH

N CH3

OHCH2OH

HOCH2 N N MeMe

N

OH

O

N

N

N

MeO

HOHH H

N N

N ClCl

Cl

1,3,3-Trimethyl-2,3-dihydro-indol-2-spiro-2'-(6-nitro-2H-chromen)

(photochromes Spiroindol)

+

Thiaminpyrophosphat

PyridoxinVitamin B6

+ +

2 Cl-

Paraquat(Herbizid)

Niacin

Chinolin(-)-Chinin

2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin

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Ausgewählte Topics: Kondensierte π-Heterocyclen undmakrocyclische π-Heterocyclen

∗ Pyrimidin, Cytosin, Uracil, Thymin (DNA-Basen)∗ Purin, Adenin, Guanin (DNA-Basen), Coffein∗ Isoalloxazin (Flavin), Riboflavin∗ 1,3,5,8-Tetraazanaphthalin (Pteridin),

Xanthopterin, Folsäure∗ Phenothiazin∗ Porphyrin, Chlorophyll, Vitamin B12, Phthalocyanin

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Ausgewählte Topics: Heterocyclische Grundstrukturenvon Naturstoffen

N

N

N

N

H

NH2

O

N

N N

N

H

N

N

H

H

O

O

N

N

H

CH3

O

OH

N

N N

N

HH2N

OH N

N N

N

H

NH2

N

N

N

NH3C

H3C

H

H

O

O

N

N N

N

O

OH3C

H3C

CH3

N

N N

N

S

NH

Pyrimidin

9H-Purin

1

7

Cytosin Uracil Thymin

Guanin Adenin Coffein

7,8-Dimethylisoalloxazin Pteridin

1

35

Phenothiazin

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Ausgewählte Topics: Macrocyclische Heteroaromaten

Kupfer-Phthalocyanin:tiefblau, λmax = 678 nm;

logε = 5,3

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Heterocyclen in ‚life science‘ undMaterialwissenschaften: Stoffsammlung

− Naturstoffe− Herbicide, Fungicide,

Insektizide− Alkaloide− Schmerzmittel− Vitamine− Hormone− Antibiotika− Arzneimittel− Porphyrine

− Farbstoffe,Fluoreszenzfarbstoffe

− Kronenether, Cryptanden− Elektrisch leitende

Materialien (Polythiophen)− Tetrathiafulvalen

(Elektronendonor)− N,N‘-Bipyridinium chlorid

(Paraquat) (Herbicid,Elektronenakzeptor)

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Organische Materialien: Elektrisch leitendePolymere

∗ Polypyrrol und Polythiophen

X X XX

XX ** n

elektrochem.

oxidation

X = S, N-R

+

Radical Kation

Dimerisierung

Deprotonierung

OxidationDeprotonierung

Oxidationelektrisch leitendes

Material Dotierung

» M. Rehahn, Chemie in unserer Zeit 2003, 37, 18-30.