mini|hochkant=0.6|Struktur von Thiophen, einer typischen heterocyclischen Verbindung mit dem Heteroatom Schwefel. Heterocyclen (aus „anders, fremd“ und „Kreis“, latinisiert ; Schreibung auch: Heterozyklen und heterocyclische Verbindungen, Singular: der Heterozyklus oder Heterocyclus) sind cyclische chemische Verbindungen mit ringbildenden Atomen aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen. Der Begriff wird vorwiegend in der organischen Chemie verwendet und bezeichnet eine ringförmige organische Verbindung, deren Ringgerüst neben Kohlenstoffatomen mindestens ein Atom eines anderen chemischen Elements enthält. Diese Fremdatome werden als Heteroatome bezeichnet. Ein Ringgerüst kann ein oder mehrere gleiche oder verschiedene Heteroatome enthalten. Am häufigsten sind Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel vertreten. Aromatische Heterocyclen werden auch kurz als Heteroaromaten bezeichnet.
In der organischen Chemie bilden die Heterocyclen eine umfangreiche Verbindungsklasse. Sie können hierbei nach Art und Anzahl der Heteroatome sowie nach Ringgröße und Sättigungsgrad des cyclischen Systems gegliedert werden. Durch Betrachtung des Sättigungsgrades ergibt sich die Einteilung in gesättigte Heterocycloalkane (vergleiche Cycloalkane), partiell ungesättigte Heterocycloalkene (vergleiche Cycloalkene) und die Heteroaromaten. Besonders in Makrocyclen sind selten auch Cycloalkine (vergleiche Alkine) zu finden.
Geschichte mini|Struktur von Morphin Die ersten als Reinsubstanzen erhaltenen heterocyclischen Verbindungen waren Naturstoffe, die im 19. Jahrhundert aus pflanzlichem Material isoliert werden konnten. Auf Grund fehlender analytischer Methoden zu dieser Zeit benötigten Forschungsfortschritte oftmals Jahrzehnte. So wurde erstmals 1806 Morphin von Sertürner in kristalliner Form erhalten, bis zur Bestimmung der korrekten Summenformel der Verbindung vergingen jedoch 42 Jahre und erst 77 Jahre nach seiner Entdeckung konnte die Struktur der Verbindung endgültig geklärt werden. Eine Reihe stickstoffhaltiger heterocyclischer Basen konnte von Thomas Anderson aus tierischem Material gewonnen werden.Th. Anderson: Ueber Picolin. Eine neue Basis aus dem Steinkohlen-Theeröl. In: Liebigs Ann. 60, 1846, S. 86–103; doi:10.1002/jlac.18460600106.Th. Anderson: Producte der trocknen Destillation thierischer Materien. In: Liebigs Ann. 70, 1849, S. 32–38; doi:10.1002/jlac.18490700105.Th. Anderson: Ueber die Producte der trocknen Destillation thierischer Materien. In: Liebigs Ann. 80, 1851, S. 44–65; doi:10.1002/jlac.18510800104.Th. Anderson: Ueber die Producte der trocknen Destillation thierischer Materien. In: Liebigs Ann. 94, 1855, S. 358–365; doi:10.1002/jlac.18550940312. Zu den isolierten Substanzen gehörten beispielsweise Pyridin und die Picoline, deren Strukturen Jahrzehnte später aufgeklärt werden konnten. Körner postulierte die Hypothese, dass eine Analogie zwischen Benzol und Naphthalin sowie Pyridin und Chinolin bestehe, in den Strukturen der ersteren müsse lediglich eine CH-Einheit durch ein Stickstoffatom ersetzt werden.A. Ladenburg: Lectures on the history of the development of chemistry since the time of Lavoisier. Englische Übersetzung einer Vorlesung. Volltextzugriff (PDF; 5,0 MB).
Die erste Synthese einer heterocyclischen Verbindung gelang William Ramsay im Jahre 1877. Dieser beobachtete die Bildung von Pyridin bei Durchleitung von Acetylen- und Blausäuregas durch ein rotglühendes Rohr.Über W. Ramsays Entdeckung in: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 10, 1877, S. 736; doi:10.1002/cber.187701001202. Im selben Jahr konnten Baeyer und Caro Indol durch die Reaktion von N-Ethylanilin im rotglühenden Rohr erhalten.A. Baeyer, H. Caro: Indol aur Äthylanilin. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 10, 1877, S. 692–693; doi:10.1002/cber.187701001193. Bereits zwei Jahre später gelang Königs die erste synthetische Darstellung von Chinolin durch Umsetzung von N-Allylanilin an rotglühendem Bleioxid.W. Königs: Synthese des Chinolins aus Allylanilin. In: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 12, 1879, S. 453; doi:10.1002/cber.187901201128.
Im Zuge des fortschreitenden Verständnis vom Aufbau heterocyclischer Verbindungen wurden Regeln zu deren Nomenklatur unabhängig voneinander von Arthur Hantzsch und Oskar Widman in den Jahren 1887 und 1888 aufgestellt. Diese wurden im Laufe der Jahre erweitert, bilden jedoch immer noch das Grundgerüst der heute gängigen Hantzsch-Widman-Nomenklatur.
Nomenklatur, Stammsysteme und Verbindungen
Zur Nomenklatur heterocyclischer Systeme wurde von der IUPAC die Verwendung des Hantzsch-Widman-Systems empfohlen.W. H. Powell: Revision of the extended Hantzsch-Widman System of Nomenclature for Heteromonocycles. In: Pure Appl. Chem. 55, 1983, S. 409–416; doi:10.1351/pac198855020409. Es sind jedoch noch weitere Nomenklaturen gebräuchlich; umgangssprachlich werden oftmals Trivialnamen verwendet.
Heterocyclen mit Elementen der fünften und sechsten Hauptgruppe Einfache Heterocyclen mit einem HeteroatomA. Hantzsch, J. H. Weber: Ueber Verbindungen des Thiazols (Pyridins der Thiophenreihe). In: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 20, 1887, S. 3118–3132; doi:10.1002/cber.188702002200.O. Widman: Zur Nomenclatur der Verbindungen, welche Stickstoffkerne enthalten. In: J. Prakt. Chem. 38, 1888, S. 185–201; doi:10.1002/prac.18880380114. Gesättigte Heterocyclen Ungesättigte Heterocyclen Heteroatom Stickstoff Sauerstoff Schwefel Stickstoff Sauerstoff Schwefel 3-Ringe Nomenklaturname Aziridin Oxiran Thiiran Azirin Oxiren Thiiren Trivialname Ethylenimin Ethylenoxid Ethylensulfid – Acetylenoxid Acetylensulfid Struktur 70x70px|Struktur von Aziridin 70x70px|Struktur von Oxiran 70x70px|Struktur von Thiiran 70x70px|Struktur von Azirin 70x70px|Struktur von Oxiren 70x70px|Struktur von Thiiren 4-Ringe Nomenklaturname Azetidin Oxetan Thietan Azet Oxetiumion Thietiumion Trivialname 1,3-Propylenimin Trimethylenoxid Trimethylensulfid Azacyclobutadien – – Struktur 90x90px|Struktur von Azetidin 78x78px|Struktur von Oxetan 78x78px|Struktur von Thietan 78x78px|Struktur von Azet 90x90px|Struktur des Oxetiumions 90x90px|Struktur des Thietiumions 5-Ringe Nomenklaturname Azolidin Oxolan Thiolan Azol Oxol Thiol Trivialname Pyrrolidin Tetrahydrofuran Tetrahydrothiophen Pyrrol Furan Thiophen Struktur 120x120px|Struktur von Pyrrolidin 120x120px|Struktur von Tetrahydrofuran 120x120px|Struktur von Tetrahydrothiophen 120x120px|Struktur von Pyrrol 120x120px|Struktur von Furan 120x120px|Struktur von Thiophen 6-Ringe Nomenklaturname Azinan Oxan Thian Azin Oxiniumion Thiiniumion Trivialname Piperidin Tetrahydropyran Tetrahydrothiopyran Pyridin Pyryliumion Thiopyryliumion Struktur 120x120px|Struktur von Piperidin 120x120px|Struktur von Tetrahydropyran 120x120px|Struktur von Tetrahydrothiopyran 120x120px|Struktur von Pyridin 120x120px|Struktur des Pyryliumions 120x120px|Struktur des Thiopyryliumions 7-Ringe Nomenklaturname Azepan Oxepan Thiepan Azepin Oxepin Thiepin Trivialname Hexamethylenimin Hexamethylenoxid Hexamethylensulfid Azatropiliden Oxacycloheptatrien Thiotropiliden Struktur 140x140px|Struktur von Azepan 140x140px|Struktur von Oxepan 140x140px|Struktur von Thiepanan 140x140px|Struktur von Azepin 140x140px|Struktur von Oxepin 140x140px|Struktur von Thiepin
Auch eine Reihe weiterer Heterocyclen ist von großer Bedeutung und weitverbreitet anzutreffen. Hierzu gehören sowohl Verbindungen, welche mehrere Heteroatome tragen, als auch solche die aus mehrkernigen Ringsystemen bestehen. Die prominentesten Stammsysteme bilden fünfgliedrige stickstoffhaltige ungesättigte Heterocyclen wie Pyrazol, Imidazol und Indol sowie die sechsgliedrigen Ringe Chinolin, Isochinolin, Purin, Pyrimidin und das gesättigte Piperidin. Des Weiteren sind auch Oxazole, Thiazole und Thiazine häufig anzutreffen.
Während der Großteil der heterocyclischen Verbindungen Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel als Heteroatome trägt, sind seltener auch weitere Elemente zu finden. So sind Phosphabenzol und Arsabenzol als Homologe des Pyridins bekannt.G. Märkl: Phosphabenzol und Arsabenzol. In: Chemie in unserer Zeit 16, 1982, S. 139–148; doi:10.1002/ciuz.19820160503. Auch Phosphol und Arsol als Pyrrolhomologe konnten synthetisiert werden.Christoph Elschenbroich: Organometallchemie. 5. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53501-7, S. 220–221.
Metallacyclen Nicht nur Hauptgruppenelemente können als Heteroatome fungieren, auch Nebengruppenelemente können in cyclische Systeme eingebaut sein. Beispiele sind das Cyclopentenderivat in Hoveyda-Katalysatoren, das neben einem Sauerstoff- auch ein Rutheniumatom enthält. In der Pauson-Khand-Reaktion sowie in der Nicholas-Reaktion werden Dicobaltderivate des Cyclobutans gebildet.T. Laue, A. Plagens: Namen- und Schlagwort-Reaktionen. 4. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2004, ISBN 3-519-33526-3.
Eine Besonderheit sind die Metallabenzole und Metallabenzine. Hierbei handelt es sich um ungesättigte sechsgliedrige Heterocyclen, die Fragmente von Übergangsmetallkomplexen in ihrer Ringstruktur tragen. Die Existenz solcher Systeme wurde 1979 von Thorn und Hoffmann vorhergesagt.G. P. Elliott, W. R. Roper, J. M. Waters: Metallacyclohexatrienes or Metallabenzenes. Synthesis of Osmabenzene Derivates and X-ray Structure of [Os(C(S)CHCHCHCH)(CO)(PPh3)2]. In: J. Chem. Soc., Chem. Comm. 1982, S. 811–813; doi:10.1039/C39820000811. Als erste Verbindung dieser Klasse konnte drei Jahre später ein Osmabenzol dargestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass es sich hierbei um ein aromatisches System handelt, das Substitutionsreaktionen ähnlich Benzol eingeht. Analog zu Benzin konnten auch Metallabenzine dargestellt werden, die eine Dreifachbindung im Sechsring tragen. Im Gegensatz zu Benzin gehen diese jedoch keine Additionsreaktionen an der Dreifachbindung ein.G. Jia: Progress in the Chemistry of Metallabenzynes. In: Acc. Chem. Res. 37, 2004, S. 479–486; doi:10.1021/ar0201512.
→Für weitere heterocyclische Verbindungen siehe auch :Kategorie:Heterocyclische Verbindung.
Vorkommen Heterocyclische Verbindungen sind in der Natur eine weitverbreitete Verbindungsklasse. Sie besitzen wichtige Funktionen in biologischen Prozessen, die sie meist auf Grund ihrer Fähigkeit zur Komplexbildung, seltener auch auf Grund ihrer Brønsted-Basizität, übernehmen. Im Falle der Alkaloide, zu deren prominentesten Vertretern Atropin, Kokain, Koffein und Nicotin sowie die Opiate gehören, treten sie als natürliche Giftstoffe auf, die auch als Rauschmittel missbraucht werden können. Einige Mitglieder dieser Gruppe finden in der Medizin Anwendung.H. Beyer, W. Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie. 23. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1998, ISBN 3-7776-0808-4, S. 753–876.Eberhard Breitmaier: Alkaloide: Betäubungsmittel, Halluzinogene und andere Wirkstoffe, Leitstrukturen aus der Natur. 2. Auflage. Teubner Verlag, Wiesbaden 2002, ISBN 3-519-13542-6. Auch drei der natürlichen Aminosäuren, namentlich Prolin (Pyrrolidinderivat), Histidin (Imidazolderivat) und Tryptophan (Indolderivat), besitzen heterocyclische Ringe.
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