Cycloalkane
Die Cycloalkane (Cyclane, ältere Bezeichnung: Naphthene, Cycloparaffine) sind eine Stoffgruppe von cyclischen, gesättigen Kohlenwasserstoffen. In der Systematik der organischen Chemie zählt man sie zu den cycloaliphatischen Verbindungen, die Cycloalkane sind eine Untergruppe der Alkane, den kettenförmigen, gesättigten Kohlenwasserstoffen, sie werden aufgrund bestimmter Unterschiede meist getrennt von den Alkanen behandelt. Die Cycloalkane bilden eine homologe Reihe mit der allgemeine Summenformel CnH2n.
Historische Informationen
Natürlich vorkommende Cycloalkane (Cyclopentan, Cyclohexan, Cycloheptan) wurden zuerst vom Chemiker Wladimir Wassiljewitsch Markownikow in der Rohbenzin-Fraktion, auch Naphtha genannt, des kaukasischen Erdöls gefunden. Daher stammt die Bezeichnung Naphthen, die gelegentlich für alle Cycloalkane verwendet wird. Meist wird diese unpräzise Bezeichnung aber nur auf die Derivate des Cyclopentans und -hexans angewendet. In der Sprache der Erdölwirtschaft ist Naphthen noch heute eine gebräuchliche Bezeichnung für diese Cycloalkane.
Klassifizierung
Ein Einteilungskriterium für Cycloalkane ist die Größe des Kohlenstoffrings. Cycloalkane, deren cyclische Kohlenstoffkette drei bis vier Kohlenstoffatome enthält, werden als klein, von fünf bis sieben als normal, von acht bis elf als mittlere und mehr als elf als größere bezeichnet.
Neben einfachen Ringen der Monocyclen gibt es Cycloalkane, die aus mehreren miteinander verbundenen Ringen bestehen, sie werden polycyclische Alkane genannt. In polycyclischen Alkanen gibt es wiederum unterschiedliche Möglichkeiten, die Ringe zu verbinden. Daraus ergibt sich ein weiteres Einteilungsschema der Cycloalkane, man unterscheidet einfache Ringe der monocyclischen Alkane von verbundenen und verbrückten oder Spiroverbindungen der polycyclischen Alkane.
Nomenklatur
Die Namen der Cycloalkane werden aus denjenigen der entsprechenden offenkettigen Alkane mit gleicher Kohlenstoff-Anzahl durch die Vorsilbe Cyclo gebildet.
Polycyclische Alkane werden ebenfalls nach den Alkanen mit gleicher Anzahl an Kohlenstoffen benannt. Die Anzahl der Ringe wird durch die Vorsilbe Bicyclo, Tricyclo usw. angegeben. Die Kohlenstoff-Anzahl zwischen Kohlenstoff-Atomen, die Ringe verbinden (so genannte "Brückenkopftatome"), wird in absteigender Reihenfolge in eckigen Klammern dem Namen vorangestellt. Die Benennung von Spiroverbindungen geschieht in gleicher Weise, nur dass anstatt der Vorsilbe Bicyclo, Tricyclo usw. Spiro verwendet wird. Weist das Molekül Substituenten auf wird deren Ort mit einer Zahl am Anfang gekennzeichnet, darauf folgt getrennt durch ein - der Name des Substituenten und schließlich der Name des Cycloalkanrings.
Struktur
In Strukturformelzeichnungen der Cycloalkane werden die Ringe verkürzt durch Vielecke dargestellt. Cycloalkane kann man sich als eine Form der Alkane vorstellen, bei der die beiden Enden der Kohlenstoff-Kette miteinander verknüpft sind. Es handelt sich nicht um Isomere der Alkane. Sie sind wie die Alkane gesättigte Verbindungen.
Isomerie
Da die Rotation eines Substituenten um ein Ringkohlenstoffatom unmöglich ist, tritt eine spezielle Form der Isomerie auf, die cis-trans-Isomerie. Bei cis-trans-Isomeren ist die räumliche Anordnung von Substituenten unterschiedlich. Die Substituenten können auf der gleichen Seite (cis) oder auf unterschiedlichen Seiten (trans) der Ringbindung liegen.
Konformationen
Um Molekülspannungen zu umgehen, sind die Cycloalkane nicht wie häufig dargestellt planar. Sie liegen alle in solchen Konformationen vor, bei denen der Innenwinkel der Tetraederform (109,45 °) möglichst erhaltenbleibt. Bei dem Cyclopropan, Cyclobutan und Cyclopentan wird dieser Winkel nicht ganz erreicht, es kommt zur sogenannten Baeyer-Spannung; wegen dieser Spannung sind diese Molkeüle reaktiver. Bei dem Cyclohexanmolekül hat die Spannung aber bereits nahezu keinen Einfluss mehr.
Eigenschaften
Die ringförmige Struktur der Cycloalkane wirkt sich auf ihre Reaktivität und die Schmelz- und Siedepunkte aus. Schmelz- und Siedepunkt eines monocyclischen Alkans ist immer höher als die des entsprechenden n-Alkan, da die London'sche Wechselwirkung bei den Cycloalkanen besser ist, da die Cycloalkane relativ starr sind. Cyclopropan, Cyclobutan und Cyclopenatan sind reaktiver als die höheren Cycloalkane, weil bei ihnen die Baeyer-Spannung eintritt.
Monocyclische unsubstuierte Alkane mit 3 bis 4 Kohlenstoffatomen sind gasförmig, ab fünf sind Kohlenstoffatomen sind sie flüssig. Bei den Cycloalkanen kann im Gegensatz zu den Alkanen die cis-trans-Isomerie auftreten.
In Wasser sind Cycloalkane schlecht bis unlöslich. Cycloalkane sind leicht entflammbar, jedoch relativ reaktionträge. Sie gehen im wesentlich die gleichen Reaktionen wie die Alkane ein.
Vorkommen
Neben dem in vielen Steroiden und Terpenen vorkommenden Sechsring des Cyclohexans gibt es in der Natur viele weitere Derivate von kleinen Ringen und Makrocyclen. Die Steroide bauen auf dem Cycloalkan Gonan auf.
Viele Cycloalkane wie zum Beispiel das Cyclohexan, das Methylcyclohexan und das Cyclopentan kommen im Erdöl vor. Im Erdöl wurden auch geringe Mengen die kristallinen Feststoffe der Diamantoide gefunden, deren einfachster Vertreter das Adamantan ist.
Cycloalkane mit einem Kohlenstoffanteil von 14 bis 18 kommen zum Beispiel in Riechstoffen wie dem Moschus vor, der aus einer Drüse der Moschushirsche (Moschidae) gewonnen wird.
Verwendung
Cyclohexan sowie Cyclododecan sind Ausgangsmaterialien für die Synthese von Caprolactam beziehungsweise Laurinlactam. Ebenso wie die daraus abgeleiteten Dicarbonsäuren werden diese für die Herstellung von Polyamiden benötigt.
Cyclohexan, Decalin, Cyclopentan, Methylcyclohexan werden als Lösungsmittel verwendet.
siehe auch: Methylcyclopentan
Literatur
- Josef Houben, Theodor Weyl:Methods of Organic Chemistry, Ln; Methoden der organischen Chemie, Ln, Bd.5/1a, Alkane, Cycloalkane. Thieme, Stuttgart (1994), ISBN 3132022047