8. 5er HC mit mehr als 1 N-Atom

8.1 Pyrazol und Imidazol

Pyrazol und Imidazol
Autor: Ulrich Helmich 01/2024, Lizenz: Public domain

Beide Verbindungen sind aromatisch, weil eines der beiden N-Atome sein freies Elektronenpaar dem pi-System zur Verfügung stellt, so dass die (4n+2)-Regel mit sechs pi-Elektronen erfüllt wird. Das andere N-Atom hat sein freies Elektronenpaar in einem sp²-Orbital "nach außen" gerichtet, dieses Elektronenpaar verleiht beiden Verbindungen die Eigenschaften einer Lewis-Base.

Imidazol

Gleichzeitig ist Imidazol aber auch eine (gar nicht mal so schwache) Säure, wie man auf folgendem Bild gut sieht:

Das Säure-Base-Verhalten von Imidazol
Autor: Ulrich Helmich 01/2024, Lizenz: siehe Seitenende

Nimmt das Imidazol-Molekül als Brönsted-Base ein Proton auf, entsteht das Imidazol-Kation, das in zwei Grenzstrukturen vorliegt und daher recht stabil ist.

Gibt das Imidazol-Molekül dagegen ein Proton ab, bildet sich das Imidazol-Anion. Auch dieses Ion wird durch zwei Grenzstrukturen stabilisiert.

Imidazol ist ein Bestandteil der Aminosäure Histidin
Autor: Ulrich Helmich 01/2024, Lizenz: siehe Seitenende

Die Natur macht sich die ampholytische Eigenschaft von Imidazol zu Nutze wie wir am Beispiel der Aminosäure Histidin sehen, die einen Imidazol-Baustein enthält. Die Histidin-Seitengruppen von Proteinen können daher Protonen sowohl aufnehmen wie auch abgeben und können dann positiv bzw. negativ geladen sein.

Pyrazol

Pyrazol ist der zweite fünfgliedrige Heteroaromat mit zwei Stickstoff-Atomen. Auf diese Verbindung müssen wir hier nicht besonders eingehen, weil sie fast die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften hat wie Imidazol.

8.2 Triazole

Fünfgliedrige Heterocyclen mit drei N-Atomen werden als Triazole bezeichnet. Ein N-Atom der Triazole ist ähnlich wie beim Pyrrol mit einem H-Atom verbunden und stellt sein freies Elektronenpaar dem aromatischen System zur Verfügung. Die beiden anderen N-Atome sind genau wie beim Pyridin auch sp2-hybridisiert, stellen aber ihr freies Elektronenpaar nicht dem aromatischen System zur Verfügung, sondern haben ein doppelt besetztes sp²-Orbital "nach außen" gerichtet (im folgenden Bild blau gezeichnet):

1,2,3- und 1,2,4-Trioazol und ihre beiden Tautomere
Autor: Ulrich Helmich 01/2024, Lizenz: siehe Seitenende

Je nach Stellung der drei N-Atome unterscheidet man 1,2,3-Triazol und 1,2,4-Triazol. Von jeder dieser beiden Formen gibt es noch ein Tautomer, bei dem das H-Atom an einem anderen N-Atom sitzt.

Bei dieser Tautomerie handelt es sich also nicht um zwei Grenzstrukturen, sondern es muss tatsächlich ein H-Atom von einem N-Atom zum nächsten "wandern". Beide Tautomere befinden sich in einem Gleichgewicht.

8.3 Tetrazole

Es gibt nur einen fünfgliedrigen Heterocyclen mit vier N-Atomen und einem einzigen C-Atom, dieser wird als Tetrazol bezeichnet. Die Derivate dieser Verbindung werden dann allgemein Tetrazole genannt.

Ähnlich wie die Triazole sind Tetrazole Lewis-Basen, können also beispielsweise Protonen aufnehmen. Im Gegensatz zu den Triazolen sind Tetrazole aber recht starke Säuren, der pK_S-Wert liegt bei5, für organische Säuren ist das schon sehr hoch. Das Tetrazol-Anion, das nach Abgabe des Protons zurück bleibt, ist sehr stabil, da die negative Ladung über alle vier N-Atome delokalisiert ist.