Heterocyclische Verbindungschemie

Die Natur der Heteroaromatizität

Aromatizität bezeichnet die signifikante Stabilisierung einer Ringverbindung durch ein System alternierender Einfach- und Doppelbindungen - ein so genanntes cyclisches konjugiertes System - an dem im Allgemeinen sechs π-Elektronen beteiligt sind. Ein Stickstoffatom in einem Ring kann eine positive oder negative Ladung tragen oder in neutraler Form vorliegen. Ein Sauerstoff- oder Schwefelatom in einem Ring kann entweder in neutraler Form vorliegen oder eine positive Ladung tragen. Eine grundlegende Unterscheidung wird gewöhnlich getroffen zwischen (1) jenen Heteroatomen, die an einem cyclischen konjugierten System mittels eines einzelnen oder ungeteilten Elektronenpaars beteiligt sind, das sich in einem Orbital senkrecht zur Ringebene befindet, und (2) jenen Heteroatomen, die tun Sie dies, weil sie über eine Doppelbindung mit einem anderen Atom verbunden sind.

Ein Beispiel für ein Atom des ersten Typs ist das Stickstoffatom in Pyrrol, das durch einfache kovalente Bindungen an zwei Kohlenstoffatome und ein Wasserstoffatom gebunden ist. Stickstoff hat eine äußerste Hülle aus fünf Elektronen, von denen drei drei kovalente Bindungen mit anderen Atomen eingehen können. Nach der Bildung der Bindungen verbleibt wie im Fall von Pyrrol ein ungeteiltes Elektronenpaar, das an der cyclischen Konjugation teilnehmen kann. Das aromatische Sextett in Pyrrol besteht aus zwei Elektronen aus jeder der beiden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und den beiden Elektronen, aus denen das ungeteilte Elektronenpaar des Stickstoffatoms besteht. Infolgedessen besteht tendenziell ein Nettofluss der Elektronendichte vom Stickstoffatom zu den Kohlenstoffatomen, wenn die Elektronen des Stickstoffs in das aromatische Sextett gezogen werden. Alternativ kann das Pyrrolmolekül als Resonanzhybrid beschrieben werden, dh als Molekül, dessen wahre Struktur nur durch zwei oder mehr verschiedene Formen, sogenannte Resonanzformen, angenähert werden kann.

Ein Beispiel für ein Heteroatom des zweiten Typs ist das Stickstoffatom in Pyridin, das durch kovalente Bindungen nur an zwei Kohlenstoffatome gebunden ist. Pyridin hat auch ein π-Elektronensextett, aber das Stickstoffatom trägt nur ein Elektron dazu bei, wobei jedes der fünf Kohlenstoffatome im Ring ein zusätzliches Elektron beisteuert. Insbesondere ist das ungeteilte Elektronenpaar des Stickstoffatoms nicht beteiligt. Da die Anziehungskraft von Stickstoff für Elektronen (seine Elektronegativität) größer ist als die von Kohlenstoff, tendieren Elektronen außerdem dazu, sich zum Stickstoffatom zu bewegen und nicht wie bei Pyrrol von diesem weg.

Ganz allgemein können Heteroatome als pyrrolartig oder pyridinartig bezeichnet werden, je nachdem, ob sie in die oben beschriebene erste oder zweite Klasse fallen. Die pyrrolartigen Heteroatome ―NR― ​​(R ist Wasserstoff oder eine Kohlenwasserstoffgruppe), ―N ^- -, ―O― und ―S― neigen dazu, Elektronen in das π-Elektronensystem abzugeben, während die pyridinartigen Heteroatome ―N =, ―N ⁺ R =, ―O ⁺ = und ―S ⁺ = neigen dazu, die π-Elektronen einer Doppelbindung anzuziehen.

In sechsgliedrigen heteroaromatischen Ringen sind die Heteroatome (normalerweise Stickstoff) pyridinartig - beispielsweise die Verbindungen Pyrimidin, die zwei Stickstoffatome enthalten, und 1,2,4-Triazin, das drei Stickstoffatome enthält.

Sechsgliedrige heteroaromatische Verbindungen können normalerweise keine pyrrolartigen Heteroatome enthalten. Fünfgliedrige heteroaromatische Ringe enthalten jedoch immer ein pyrrolartiges Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelatom und können auch bis zu vier pyridinähnliche Heteroatome enthalten, wie in den Verbindungen Thiophen (mit einem Schwefelatom), 1,2,4 -oxadiazol (mit einem Sauerstoffatom und zwei Stickstoffatomen) und Pentazol (mit fünf Stickstoffatomen).

Die quantitative Messung der Aromatizität - und sogar ihre genaue Definition - hat Chemiker herausgefordert, seit der deutsche Chemiker August Kekule Mitte des 19. Jahrhunderts die Ringstruktur für Benzol formuliert hat. Verschiedene Methoden, die auf energetischen, strukturellen und magnetischen Kriterien basieren, wurden häufig verwendet, um die Aromatizität von carbocyclischen Verbindungen zu messen. Alle von ihnen sind jedoch aufgrund von Komplikationen, die sich aus dem Vorhandensein von Heteroatomen ergeben, schwierig quantitativ auf heteroaromatische Systeme anzuwenden.

Die chemische Reaktivität kann einen gewissen qualitativen Einblick in die Aromatizität geben. Die Reaktivität einer aromatischen Verbindung wird durch die zusätzliche Stabilität des darin enthaltenen konjugierten Systems beeinflusst. Die zusätzliche Stabilität bestimmt wiederum die Tendenz der Verbindung, durch Substitution von Wasserstoff zu reagieren, dh durch Ersetzen eines einfach gebundenen Wasserstoffatoms durch ein anderes einfach gebundenes Atom oder eine andere Gruppe, anstatt durch Hinzufügen eines oder mehrerer Atome zum Molekül über das Brechen einer Doppelbindung (siehe Substitutionsreaktion; Additionsreaktion). In Bezug auf die Reaktivität wird der Grad der Aromatizität daher eher durch die relative Tendenz zur Substitution als zur Addition gemessen. Nach diesem Kriterium ist Pyridin aromatischer als Furan, aber es ist schwer zu sagen, wie viel aromatischer es ist.