Die Namen und Nummerierungssysteme für die fünfgliedrigen heteroaromatischen Ringe mit zwei Heteroatomen sind:
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Nur wenige Pyrazole kommen in der Natur vor; die Verbindungen dieser Klasse werden gewöhnlich durch die Reaktion von Hydrazinen mit 1,3-Diketonen hergestellt. Viele synthetische Pyrazolverbindungen sind als Farbstoffe und Arzneimittel von Bedeutung. Dazu gehören das fiebersenkende Schmerzmittel Aminopyrin, der entzündungshemmende Wirkstoff Phenylbutazon, der zur Behandlung von Arthritis eingesetzt wird, der gelbe Lebensmittel- und Faserfarbstoff Tartrazin sowie eine Reihe von Farbstoffen, die als Sensibilisierungsmittel in der Farbfotografie verwendet werden.
Biologisch sind vor allem die Imidazole von Bedeutung; Histidin beispielsweise ist eine essentielle Aminosäure, die für Enzymreaktionen besonders wichtig ist. Ein Abbauprodukt von Histidin, das so genannte Histamin, hat eine Vielzahl von Funktionen in verschiedenen Organismen; im menschlichen Körper spielt es eine entscheidende Rolle bei der Immunreaktion, einschließlich allergischer Reaktionen – daher die Bedeutung von Antihistaminika. Histidin und Histamin haben die folgenden Strukturen:
Zu den weiteren natürlich vorkommenden Verbindungen mit einem Imidazolkern gehören Hydantoin, das in Rübensaft vorkommt, und Allantoin, das mit dem Stoffwechselprodukt Harnsäure verwandt ist. Hydantoin-Derivate, insbesondere Phenytoin, sind wichtige Antiepileptika. Der Imidazolring kommt auch im B-Vitamin Biotin vor (wegen seiner Thiopheneinheit bereits erwähnt; siehe oben Fünfgliedrige Ringe mit einem Heteroatom).
Das Antibiotikum Cycloserin, das von einem Bakterium hergestellt wird, ist eines der wenigen natürlich vorkommenden Isoxazole. Ein synthetisches Isoxazol, Hymexazol, hat praktische Anwendung als Boden- und Saatgutfungizid gefunden.
Thiazole sind von großer biologischer Bedeutung. Dieses Ringsystem kommt in Thiamin (Thiamin, Vitamin B1), den Antibiotika Bacitracin und Penicillin (aus einem Bakterium bzw. einem Schimmelpilz) sowie in zahlreichen synthetischen Arzneimitteln, Farbstoffen und Industriechemikalien vor. Zu den synthetischen Arzneimitteln aus der Familie der Thiazole gehören die antimikrobiellen Wirkstoffe Sulfathiazol und Acinitrazol, das Antidepressivum Pramipexol und das Antiasthmatikum Cinalukast. Sulfathiazol hat die Struktur:
Andere Thiazolverbindungen sind Rhodanin, der davon abgeleitete Farbstoff Rhodaninrot und der gelbe Farbstoff Primulin.
Die meisten bicyclischen Systeme, die sich von diesen fünfgliedrigen Ringen ableiten, werden systematisch benannt, d. h. durch die Verwendung der Vorsilbe Benz- oder Benzo-, um das Vorhandensein des Benzolrings anzuzeigen. Benzimidazol ist zum Beispiel der Name für die Verbindung:
Eine Benzimidazol-Einheit kommt in Vitamin B12 vor. Benzothiazol-Derivate werden zur Beschleunigung der Vulkanisation von Kautschuk (2-Mercaptobenzothiazol), als Herbizide (Benazolin, Mefenacet) und als Fungizide und Antihelminthika (Thiabendazol) verwendet.
Die drei monocyclischen Diazine – sechsgliedrige Ringverbindungen mit zwei Stickstoff-Heteroatomen – sind wie gezeigt benannt und nummeriert.
Das Pyridazin-Derivat Maleinsäurehydrazid ist ein Herbizid, und einige Pyrazine kommen in der Natur vor, zum Beispiel das Antibiotikum Aspergillinsäure. Die Strukturen der genannten Verbindungen sind:
Der Pyrazinring ist Bestandteil vieler polyzyklischer Verbindungen von biologischer oder industrieller Bedeutung. Wichtige Vertreter der Pyrazinfamilie sind die Pteridine, Alloxazine und Phenazine, die in diesem Abschnitt behandelt werden.
Biologisch und pharmakologisch sind die wichtigsten Diazine jedoch die Pyrimidine. Uracil, Thymin und Cytosin zum Beispiel, mit den dargestellten Strukturen, sind drei der fünf Nukleotidbasen, die den genetischen Code in DNA und RNA bilden.
Das Vitamin Thiamin enthält einen Pyrimidinring (zusätzlich zu dem oben erwähnten fünfgliedrigen Thiazolring), und synthetische Barbiturate wie Amobarbital (Amylobarbiton) sind weit verbreitete Arzneimittel.
Viele Oxazin- und Thiazin-Derivate sind bekannt, aber monozyklische Thiazine sind bisher von geringer Bedeutung. Das Ausgangsmaterial Tetrahydro-1,4-oxazin, gemeinhin als Morpholin bezeichnet, wird in großem Umfang als Lösungsmittel, Korrosionsschutzmittel und Fungizid hergestellt. Der Morpholinring ist auch in dem Beruhigungs- und Schlafmittel Trimetozin und in einigen Fungiziden wie Tridemorph und Fenpropimorph enthalten. Die Strukturformel für Morpholin lautet:
Die Benzodiazine sind polyzyklische Verbindungen, die einen oder mehrere Benzolringe enthalten, die an einen Diazinring kondensiert sind. Viele haben gebräuchliche Namen, z.B. Cinnolin, Chinazolin und Phenazin.
Fünf weitere polyzyklische Systeme in dieser allgemeinen Familie sind von Bedeutung, ihre Namen, Strukturen und Nummerierungssysteme sind:
Es gibt quinoxalische Alkaloide und einige Phenazin-Naturprodukte. Phenazinfarbstoffe werden für Stoffe (z. B. Indanthrone und Anthrachinon-Küpenfarbstoffe; siehe Anthrachinonfarbstoff) und für Tinten und Druckertoner (Nigrosine) verwendet. Der erste synthetische Phenazinfarbstoff, Malve (Anilinpurpur), ist von historischer Bedeutung; seine Struktur ist:
Das Phenoxazin-System ist ein chromophorer (farbgebender) Teil der Molekularstrukturen der natürlich vorkommenden Actinomycin-Antibiotika, die eine gelb-rote Farbe haben. Viele polyzyklische Verbindungen, die einen Phenoxazinring enthalten, werden als biologische Färbemittel, Stofffarbstoffe und lichtemittierende Materialien in Farbstofflasern verwendet (z. B. Kresylviolett und Nilblau).
Phenothiazin wurde als Wurmmittel für Vieh und als Insektizid verwendet. Zu den Arzneimitteln vom Typ der Phenothiazine gehören die Antipsychotika Chlorpromazin und Thioridazin, das langwirksame Antihistaminikum Promethazin und Ethopropazin, das zur Behandlung von Parkinsonismus eingesetzt wird. Eine große Gruppe von Farbstoffen hat die Phenothiazinstruktur, darunter Methylenblau, ein Stoff, der häufig als biologischer Farbstoff und als Oxidations-Reduktions-Indikator verwendet wird. Die Struktur von Methylenblau ist:
Biologisch sind die Purine und Pteridine die wichtigsten polyzyklischen Diazine. Purin selbst ist nicht häufig, aber die Purinstruktur ist in vielen Naturstoffen vorhanden. Zwei purinische Nukleotidbasen, Adenin und Guanin, kommen zusammen mit den oben erwähnten Pyrimidinbasen in DNA und RNA vor.
Weitere natürliche Purine sind die Alkaloide Xanthin und Koffein (in Tee, Kaffee und Kakao), das Alkaloid Theobromin (in Kakao) und Harnsäure. Die Strukturen von Koffein, Theobromin und Harnsäure sind:
Adenosinmonophosphat, -diphosphat und -triphosphat (AMP, ADP bzw. ATP) sind wichtige Teilnehmer an Energieprozessen in der lebenden Zelle. Jede dieser Verbindungen besteht aus der Nukleotidbase Adenin, die mit dem Zucker Ribose verknüpft ist, der wiederum mit einem linearen „Schwanz“ aus einer, zwei oder drei Phosphatgruppen verbunden ist, wie dargestellt.
Die biologische Bedeutung der Pteridinverbindungen (von griechisch pteron, „Flügel“) ist deutlich geworden, seit die ersten bekannten Vertreter dieser Gruppe als Pigmente von Schmetterlingsflügeln entdeckt wurden. One example is the yellow pigment 2-amino-4,6-pteridinedione (xanthopterin).
Folic acid, also a pteridine, is a B-complex vitamin and an important growth factor.
Riboflavin, or vitamin B2, is a derivative of alloxazine.
