3. Nicht aromatische Heterocyclen

3.1 Rekapitulation Schulwissen

Wenn in der Schule Heterocyclen behandelt werden, dann eher die aromatischen, zum Beispiel im Zusammenhang mit den DNA-Basen. Die nicht aromatischen Heterocyclen dagegen werden normalerweise gar nicht behandelt, weder im Chemie- noch im Biologieunterricht.

3.2 Studienvorbereitung

3.2.1 Nucleophile Substitution

Eine typische Reaktion der drei- oder viergliedrigen nicht aromatischen Heterocyclen ist die Nucleophile Substitution, weil bei dieser Reaktion die Ringspannung aufgehoben wird.

Reaktionen von zwei Azacyclopropanen
Autor: Ulrich Helmich 12/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Beim Azacyclopropan wird das N-Atom wegen seiner hohen Elektronegativität und wegen des freien Elektronenpaars leicht elektrophil angegriffen.

Wegen der hohen Elektronegativität des N-Atoms sind die beiden C-Atome positiv polarisiert und können nucleophil angegriffen werden. Beim Azacyclopropan sind die beiden C-Atome gleichwertig, die Wahrscheinlichkeit eines nucleophilen Angriffs ist hier also völlig identisch. Beim Methylazacyclopropan wird dagegen das weniger substituierte C-Atom mit höherer Wahrscheinlichkeit angegriffen. Das substituierte C-Atom hat wegen des +I-Effekts der Methylgruppe eine höhere Elektronendichte als das nicht-substituierte C-Atom, hier die die Elektronendichte geringer, was einen nucleophilen Angriff wahrscheinlicher macht.

Der Mechanismus der nucleophilen Substitution verläuft bimolekular wie eine "normale" S_N2-Reaktion. Das angreifende Nucleophil Nu oder Nu- "drückt" also das Nucleofug, das Bestandteil des Ringes ist, von dem angegriffenen C-Atom weg, so dass sich der Ring an dieser Stelle öffnet:

Text
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Die negative Ladung eines anionischen Nucleophils geht dann auf das elektrophile N-Atom über, ein Proton oder ein anderes Gegenkation neutralisiert dann die negative Ladung in einem abschließenden Schritt.