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CycloalkaneDie Cycloalkane (Cyclane, ältere Bezeichnung: Naphthene, Cycloparaffine) sind eine Stoffgruppe von ringförmigen, gesättigten Kohlenwasserstoffen. In der Systematik der organischen Chemie zählt man sie zu den cycloaliphatischen Verbindungen, die Cycloalkane sind eine Untergruppe der Alkane, der kettenförmigen, gesättigten Kohlenwasserstoffe, sie werden aufgrund bestimmter Unterschiede meist getrennt von den Alkanen behandelt. Die Cycloalkane bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n+2(1-x), wobei x die Anzahl der Ringe ist. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Historische InformationenNatürlich 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. KlassifizierungEin 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: Man unterscheidet hierbei verbundene (kondensierte) von verbrückten oder Spiroverbindungen der polycyclischen Alkane. NomenklaturDie 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 "Brückenkopfatome"), 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. StrukturIn 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. IsomerieDa 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. KonformationenUm 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 Moleküle reaktiver. Bei dem Cyclohexanmolekül hat die Spannung aber bereits nahezu keinen Einfluss mehr. EigenschaftenDie 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. Monocyclische unsubstuierte Alkane mit 3 bis 4 Kohlenstoffatomen sind unter Normalbedingungen gasförmig, ab fünf 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 reaktionsträge. Sie gehen im Wesentlichen die gleichen Reaktionen wie die Alkane ein. VorkommenNeben 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 der 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. VerwendungCyclohexan 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
Kategorien: Cycloalkan | Alicyclische Verbindung | Stoffgruppe |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Cycloalkane aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |