Cycloalkane
Cycloalkane
Cycloalkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, die eine Ringstruktur besitzen. Sie können durch folgende allgemeine Summenformel beschrieben werden:
CnH2n
Dabei muss n eine natürliche Zahl ≥ 3 sein.
Sie sind zyklische Verbindungen und bestehen ausschließlich aus einfach gebundenen C- und H-Atomen.
Cyclopropan (n = 3) – Cyclobutan (n = 4) – Cylcopentan (n = 5) – Cyclohexan (n = 6)
Nomenklatur: Dem Namen des offenkettigen Alkans mit gleicher Anzahl von C-Atomen wird das Präfix Cyclo- vorangestellt.
Eigenschaften:
· Reaktionsträge wie die Alkane, mit Ausnahme des Cyclopropans und des Cyclobutans, die relativ leicht Reaktionen unter Ringöffnung eingehen à Ringspannung.
· Wasserstoffatome der Cycloalkane können durch Alkyl-Gruppen substituiert sein.
· Mehrere Cycloalkan-Ringe können zusammengeknüpft werden, die Nomenklatur stützt sich hier oft auf Trivialnamen, man unterscheidet folgende Fälle:
o Spiranenbesitzen zwei Ringe mit einem gemeinsamen C-Atom.
Spirodecan
o Bicyclische Ringsysteme besitzen mindestens zwei gemeinsame C-Atome.
Decahydronaphthalin
o Kondensierte oder anellierte Ringsysteme sind bicyclische Ringsysteme, bei denen die verbundenen Ringe aromatisch sind (à Benzol), also NICHT bei Cycloalkanen anzutreffen.
Naphthalin – bicyclisch, aber kein Cycloalkan
o Kompliziertere polycyclische Ringsysteme sind ebenso möglich.
Androstanolon – Steroidhormon mit 4 Cycloalkanringen
Ringspannung
Die Stabilität der Ringsysteme wird dadurch beeinflusst, dass innerhalb eines Ringes verschiedene Arten von Spannungen vorliegen. Diese beruhen vor allem aufder Größe der Ringe und der Anordnung der Atome im Molekül zueinander. Die Spannungen entscheiden über die Reaktivität der Ringe und die Stabilität gegenüber einer Ringöffnung. Folgende Spannungen werden unterschieden:
· Baeyer-Spannung: Dies ist die Ringspannung bei kleinen Ringen aufgrund entsprechender C-C-C-Winkel, wie sie zum Beispiel im Cyclopropan (60°) und Androstanolon bestehen. Normal wäre für ein Alkan der Tetraederwinkel von 109,47°.
· Pitzer-Spannung: Diese besteht aufgrund der Abstoßung der Atome untereinander und ist abhängig von deren räumlicher Anordnung; sie ist nicht auf Ringe beschränkt, dort aber besonders wichtig. Hervorgerufen wird sie durch Van-der-Waals-Kräfte ungenügend gestaffelter Substituenten benachbarter Kohlenstoffatome. Der einfachste Fall liegt beim Cyclopentan-Molekül vor. Hier entspricht die Pitzer-Spannung der Energiedifferenz zwischen der energetisch ungünstigen ekliptischen Konformation und der energetisch günstigen gestaffelten Konformation. Aufgrund der Pitzer-Spannung liegt Cyclopentan nicht in der ebenen Form eines ebenen, regelmäßigen Fünfecks vor, sondern bevorzugt die gewellte Konformation:
Cyclopentan, ekliptische (flache) Konformation,
gewellte Konformation.
Man beachte die Abstände zwischen den grün markierten Wasserstoffatomen!
· Prelog-Spannung: Diese Form der Spannung wird auch als transannulare Wechselwirkung bezeichnet und lässt sich bei mittelgroßen Ringen erkennen. Sie liegt zwischen zwei nicht benachbarten (transannularen) Wasserstoffkernen in mittleren Cycloalkanen (7–14) vor. In solchen Ringsystemen kann eine abstoßende Wechselwirkung zwischen zwei axialen Wasserstoffkernen entstehen:
Prelog-Spannung/transannulare („über den-Ring“) Spannung im Cyclododecan (C12H24). Die grün markierten Wasserstoffatome nicht benachbarter Kohlenstoffatome kommen sich recht nah à Abstoßungà energetisch ungünstig
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