Vijf- en zesledige ringen met twee of meer heteroatomen

Weinig pyrazolen komen in de natuur voor; de verbindingen van deze klasse worden meestal bereid door de reactie van hydrazinen met 1,3-diketonen. Veel synthetische pyrazoolverbindingen zijn van belang als kleurstof en als geneesmiddel. Daaronder zijn het koortsverlagende pijnstillende middel aminopyrine, het ontstekingsremmende middel fenylbutazon, dat wordt gebruikt bij de behandeling van artritis, de gele kleurstof voor levensmiddelen en vezels tartrazine, en een reeks kleurstoffen die worden gebruikt als sensibilisatoren in de kleurenfotografie.

Imidazolen zijn biologisch het belangrijkst; histidine bijvoorbeeld is een essentieel aminozuur dat van bijzonder belang is bij enzymreacties. Een afbraakproduct van histidine, histamine genaamd, heeft een verscheidenheid van functies in verschillende organismen; in het menselijk lichaam speelt het een cruciale rol in de immuunreactie, met inbegrip van allergische reacties – vandaar het belang van antihistamine-geneesmiddelen. Histidine en histamine hebben de volgende structuren:

Onder de andere in de natuur voorkomende verbindingen met een imidazoolkern zijn hydantoïne, dat wordt aangetroffen in bietensap, en allantoïne, dat verwant is aan het stofwisselingsproduct urinezuur. Hydantoïnederivaten, met name fenytoïne, zijn belangrijke anti-epileptica. De imidazoolring is ook aanwezig in de B-vitamine biotine (hierboven genoemd vanwege de thiofeeneenheid; zie hierboven Vijf-ledige ringen met één heteroatoom).

Het antibioticum cycloserine, geproduceerd door een bacterie, is een van de weinige in de natuur voorkomende isoxazolen. Een synthetisch isoxazool, hymexazol, heeft praktische toepassing gevonden als bodem- en zaadfungicide.

Thiazolen zijn van groot biologisch belang. Dit ringsysteem komt voor in thiamine (thiamine, vitamine B1), de antibiotica bacitracine en penicilline (respectievelijk afkomstig van een bacterie en een schimmel), en in talrijke synthetische geneesmiddelen, kleurstoffen en industriële chemicaliën. Synthetische geneesmiddelen die tot de thiazoolfamilie behoren, zijn onder meer de antimicrobiële middelen sulfathiazole en acinitrazole, het antidepressivum pramipexole en het antiasthmatische geneesmiddel cinalukast. Sulfathiazole heeft de structuur:

Andere thiazoolverbindingen zijn rhodanine, de daarvan afgeleide kleurstof rhodanine rood, en de gele kleurstof primuline.

De meeste bicyclische systemen die van deze ringen met vijf leden zijn afgeleid, krijgen een systematische naam, d.w.z. dat het voorvoegsel benz- of benzo- wordt gebruikt om de aanwezigheid van de benzeenring aan te geven. Benzimidazool, bijvoorbeeld, is de naam voor de verbinding:

Een benzimidazool-eenheid komt voor in vitamine B12. Benzothiazolderivaten worden gebruikt voor het versnellen van de vulkanisatie van rubber (2-mercaptobenzothiazool), als herbiciden (benazolin, mefenacet), en als fungiciden en anthelminthische geneesmiddelen (thiabendazool).

De drie monocyclische diazinen – zeshoekige ringverbindingen met twee stikstofheeroatomen – worden genoemd en genummerd zoals afgebeeld.

Het pyridazine-derivaat maleïnehydrazide is een herbicide, en sommige pyrazines komen in de natuur voor – bijvoorbeeld het antibioticum aspergillinezuur. De structuren van bovengenoemde verbindingen zijn:

De pyrazinering is een bestanddeel van veel polycyclische verbindingen van biologisch of industrieel belang. Belangrijke leden van de pyrazinefamilie zijn pteridinen, alloxazinen en fenazinen, die verderop in dit hoofdstuk worden besproken.

Biologisch en farmacologisch gezien zijn de belangrijkste diazinen echter de pyrimidinen. Uracil, thymine en cytosine, bijvoorbeeld, met de afgebeelde structuren, zijn drie van de vijf nucleotidebasen die de genetische code vormen in DNA en RNA.

De vitamine thiamine bevat een pyrimidinering (naast de bovengenoemde vijfledige thiazoolring), en synthetische barbituraten zoals amobarbital (amylobarbiton) zijn veelgebruikte geneesmiddelen.

Er zijn diverse oxazine- en thiazinederivaten bekend, maar monocyclische thiazines zijn vooralsnog van weinig belang. De tetrahydro-1,4-oxazine, gewoonlijk morfoline genoemd, wordt op grote schaal geproduceerd voor gebruik als oplosmiddel, corrosieremmer en fungicide. De morfolinering is ook aanwezig in het slaapmiddel trimetozine en in sommige fungiciden zoals tridemorph en fenpropimorph. De structuurformule voor morfoline is:

De benzodiazines zijn polycyclische verbindingen die een of meer benzeenringen bevatten die met een diazinering zijn versmolten. Vele hebben gewone namen, zoals cinnoline, quinazoline en fenazine.

Vijf andere polycyclische systemen in deze algemene familie zijn van belang, met de volgende namen, structuren en nummering:

Er bestaan quinooxalische alkaloïden, en er zijn enkele natuurlijke fenazine-producten. Fenazinekleurstoffen worden gebruikt voor stoffen (bijvoorbeeld indanthrones en anthrachinonkleurstoffen; zie anthrachinonkleurstof) en voor inkten en printertoners (nigrosines). De eerste synthetische fenazinekleurstof, mauve (anilinepaars), is van historisch belang; de structuur is:

Het fenoxazinesysteem is een chromofoor (kleurbepalend) onderdeel van de moleculaire structuren van de natuurlijk voorkomende actinomycine-antibiotica, die geelrood van kleur zijn. Veel polycyclische verbindingen die een fenoxazine-ring bevatten, worden gebruikt als biologische kleurstof, als textielkleurstof en als lichtemitterend materiaal in kleurstoflasers (bijv. kresylviolet en nijlblauw).

Fenothiazine is gebruikt als ontwormingsmiddel voor vee en als insecticide. Geneesmiddelen van het fenothiazine-type zijn onder meer de antipsychotica chloorpromazine en thioridazine, het langwerkende antihistaminicum promethazine, en ethopropazine, dat wordt gebruikt bij de behandeling van parkinsonisme. Een grote groep kleurstoffen heeft de fenothiazine-structuur, waaronder methyleenblauw, een stof die veel wordt gebruikt als biologische kleurstof en als oxidatiereductie-indicator. De structuur van methyleenblauw is:

Biologisch gezien zijn de purines en pteridines de belangrijkste polycyclische diazines. Purine zelf komt niet veel voor, maar de purinestructuur is in veel natuurlijke stoffen aanwezig. Twee purine-nucleotidebasen, adenine en guanine, komen samen met de hierboven genoemde pyrimidinebasen voor in DNA en RNA.

Andere natuurlijke purines zijn de alkaloïden xanthine en cafeïne (aangetroffen in thee, koffie en cacao), de alkaloïde theobromine (aangetroffen in cacao), en urinezuur. De structuren van cafeïne, theobromine en urinezuur zijn:

Adenosinemonofosfaat, -difosfaat en -trifosfaat (respectievelijk AMP, ADP en ATP) zijn belangrijke deelnemers aan energieprocessen in de levende cel. Elk van deze verbindingen bestaat uit de nucleotidebasis adenine, gekoppeld aan de suiker ribose, die op zijn beurt is gekoppeld aan een lineaire “staart” van respectievelijk één, twee of drie fosfaatgroepen, zoals afgebeeld.

Het biologische belang van pteridineverbindingen (van het Griekse pteron, “vleugel”) is duidelijk geworden sinds de eerste bekende leden van de groep werden ontdekt als pigmenten van vlindervleugels. 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.