2. Nomenklatur

2.1 Rekapitulation Schulwissen

In der Schule haben Sie vielleicht Cyclopentan und Cyclohexan kennengelernt. Ansonsten wird das Thema in der Schule nicht behandelt, und die Nomenklatur der Cycloalkane schon gar nicht.

2.2 Studienvorbereitung

2.2.1 Einfache Cycloalkane

Die Namensgebung der einfachen Cycloalkane ist einfach: Sie schauen, aus wie vielen C-Atomen der Ring besteht und wählen dann den Namen des entsprechenden Alkans, setzen aber das Präfix "Cyclo" davor, also Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan und so weiter.

2.2.2 Einfache Cycloalkane mit einfachen Seitenketten

Jetzt wird es interessanter. Die Benennung der Seitenketten ist analog zur Nomenklatur der nicht-zyklischen Alkane. Hier ein paar einfache Beispiele:

Einige Cycloalkane
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Sitzt mehr als eine Seitenkette am Ring, so sind die Positionen der Ketten durch Nummern anzugeben, ähnlich wie bei nicht-zyklischen Alkanen. Gibt es zwei Möglichkeiten der Nummerierung, so wie im Beispiel unten rechts, geht man nach der alphabetischen Reihenfolge der Seitenketten vor, so dass die alphabetisch erste Seitenkette die kleinere Nummer bekommt. Ein Cyclopentan mit einer Ethyl-Seitenkette und einer Methyl-Seitenkette an einer anderen Position wird als 1-Ethyl-3-methyl-cyclopentan bezeichnet und nicht als 3-Ethyl-1-methyl-cyclopentan.

Cycloalkane und lange Ketten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Wenn die "angehängte" Kohlenstoffkette mehr C-Atome enthält als das Cycloalkan, dann wird das Cycloalkan als "Anhängsel" der langen Kohlenstoffkette angesehen. Das 1-Cyclopentyl-heptan ist also eine Heptankette, deren erstes C-Atom mit einem Cyclopentan-Ring verknüpft ist. Diese Verbindung darf nicht als Heptyl-cyclopentan bezeichnet werden. Beim Pentyl-cyclohexan ist es wieder umgekehrt. Hier hat der Ring mehr C-Atome als die Kette, darum ist der Ring das namensgebende Grundgerüst. Diese Verbindung darf nicht als 1-Cyclohexyl-pentan bezeichnet werden.

2.2.3 Cycloalkane mit Cycloalkanen als "Seitenketten"

Entfernt man aus einem Cyclobutan ein H-Atom, bleibt ein Cyclobutyl-Rest übrig. Entsprechend bezeichnet man auch eine Seiten-"Kette", die aus einem Cyclobutan-Ring besteht, als Cyclobutyl-Rest.

Cycloalkane mit ringförmigen Substituenten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Bei diesen drei Beispielen ist immer derjenige Ring mit den meisten C-Atomen der namensgebende Hauptring. Das dritte Beispiel zeigt, wie man einen Ring-Substituenten bezeichnen kann, der selbst eine Seitenkette trägt.

2.2.4 Cis-trans-Isomerie

Ähnlich wie bei den Alkenen gibt es auch bei Cycloalkanen das Phänomen der cis-trans-Isomerie. Die freie Drehbarkeit um C-C-Einfachbindungen ist bei den Cycloalkanen nicht möglich.

cis- und trans-Cycloalkane
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Hier sehen wir ein Cyclopentan-Molekül mit zwei Substituenten (rot markiert). Links befinden sich die beiden Substituenten in der cis-Stellung, rechts in der trans-Stellung. Achten Sie darauf, dass beide Moleküle die gleiche Konstitution haben: Fünf C-Atome sind zu einem Ring angeordnet, und an zwei benachbarten C-Atomen befindet sich ein Substituent.

Die beiden Moleküle sind also keine Konstitutionsisomere, sondern Stereoisomere. Stereoisomere sind Isomere mit der gleichen Konstitution, aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung der Atome. Man unterscheidet bei den Stereoisomeren zwischen Enantiomeren und Diastereomeren. Enantiomere sind Spiegelbild-Isomere, verhalten sich also wie die rechte und linke Hand eines Menschen. Diastereomere verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild. Die cis-trans-Isomere wie in der Abbildung 2 gehören daher zu den Diastereomeren.

2.5 Bi- und polycyclische Cycloalkane

Neben den "normalen" Cycloalkanen gibt es auch noch die sogenannten bi- und polycyclischen Alkane. Dabei unterscheidet man zwischen Spiroverbindungen, kondensierten Ringsystemen und Brückenringsystemen. Die folgende Abbildung zeigt einfache Vertreter dieser drei Kategorien:

Bi- und polycyclische Cycloalkane
Autor: Ulrich Helmich 01/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Bei den Spiroverbindungen haben zwei Ringe ein Kohlenstoff-Atom gemeinsam, bei den kondensierten Ringsystemen teilen sich zwei Ringe zwei Kohlenstoff-Atome, und bei den Brückenringsystemen sind zwei C-Atome des Rings durch eine oder mehrere CH₂-Gruppen miteinander zusätzlich verbunden.

Auf die Nomenklatur solcher Ringsysteme wird hier nicht weiter eingegangen, das ist dann wirklich etwas für das Chemie-Studium!

Was sagt die Fachliteratur?

Schauen wir jetzt mal wieder in die unten aufgeführten Hochschul-Lehrbücher. Was sagen die zum Thema "Nomenklatur der Cycloalkane"?

Im Fox/Whitesell findet sich so gut wie nichts zu diesem Thema, im Vollhardt/Schore gibt es ein eigenes großes Kapitel zur Nomenklatur der Cycloalkane, hier wird auch erwähnt, dass der Ring Vorrang gegenüber einem unverzweigten Substituenten hat, was auch die oben gestellte Frage klärt, wie man ein Cyclopentan mit einer Pentan-Seitenkette nennt. Der Clayden hält sich nicht mit so etwas Trivialem auf wie die Benennung der Cycloalkane, und im Morrison/Boyd findet sich wieder ein größerer Abschnitt zur Nomenklatur, auch bicyclische Alkane werden hier berücksichtigt, also Cycloalkane, bei denen zwei Ringe direkt miteinander verknüpft sind.