2. Nomenklatur

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 Cycloalkane mit Alkyl-Seitenketten

Wenn ein Cycloalkan eine Alkyl-Seitenkette hat, bspw. eine Ethyl-Kette, dann ist die Benennung dieser Verbindung recht einfach. Hier ein paar einfache Beispiele:

Einige Cycloalkane mit Alkyl-Seitenketten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: Public domain

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 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-methylcyclopentan bezeichnet und nicht als 3-Ethyl-1-methylcyclopentan.

Cycloalkane und lange Ketten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: Public domain

2.3 Cycloalkane mit langen Alkylketten

Kohlenwasserstoffe, die sowohl einen Ring wie auch eine längere Kohlenstoffkette enthalten, werden nach den üblichen IUPAC-Regeln benannt. Hier gilt zuerst: Suche das größte durchgehende Kohlenstoffgerüst.

Wenn die am Cycloalkan-Gerüst sitzende Kohlenstoffkette mehr C-Atome enthält als das Cycloalkan, dann wird die Kohlenstoffkette zum Grundgerüst und das Cycloalkan wird als "Anhängsel" der langen Kohlenstoffkette betrachtet.

Ein Cyclopentan mit einer Heptyl-Kette wird also nicht als Heptylcyclopentan bezeichnet, sondern als 1-Cyclopentylheptan.

Beim Pentylcyclohexan 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-Cyclohexylpentan bezeichnet werden.

Was ist, wenn der Ring und die Seitenkette die gleiche Anzahl von C-Atomen haben?

Hier gibt es eine klare IUPAC-Regel^[6]: Bei gleicher Anzahl von C-Atomen hat der Ring Vorrang und wird als Stammstruktur gewählt. Auch im Vollhardt/Schore^[2] kann man Entsprechendes lesen: "Bei der Benennung eines cyclischen Alkans, das einen Alkyl-Substituenten trägt, hat der Ring Vorrang".

Problemfall (2-Methylbutyl)cyclopropan

Ein Problemfall der Nomenklatur?
Autor: Ulrich Helmich 2026, Lizenz: Public domain

Dieses Bild zeigt eine Verbindung, die im Vollhardt/Schore als (2-Methylbutyl)cyclopropan bezeichnet wird. Obwohl die Alkylkette ein Butan-Grundgerüst aus vier C-Atomen hat, wird hier der Cyclopropan-Ring als Grundgerüst gewählt. In der neueren Fachliteratur findet sich jedoch auch die Bezeichnung 1-Cyclopropyl-2-methylbutan. Was ist nun korrekt?

Recherchen in der Fachliteratur und in chemischen Datenbanken liefern unterschiedliche, sich teilweise widersprechende Ergebnisse. Beide Bezeichnungen werden verwendet. Für diese Verbindung existieren daher offenbar unterschiedliche Nomenklaturtraditionen. Ich persönlich würde eher die Bezeichnung 1-Cyclopropyl-2-methylbutan bevorzugen.

2.4 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: Public domain

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.

Haben die beiden Ringe die gleiche Größe, wird der Ring mit den meisten Substituenten zum namensgebendem Hauptring.

2.5 Cis-trans-Isomerie

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

cis- und trans-Cycloalkane
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: Public domain

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 jeweils 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 werden auch als Spiegelbild-Isomere bezeichnet. Sie verhalten sich also wie die rechte und linke Hand eines Menschen. Diastereomere verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild.

Die cis-trans-Isomere der Abbildung 2 gehören somit zu den Diastereomeren. Sie besitzen die gleiche Konstitution, unterscheiden sich jedoch in der räumlichen Anordnung ihrer Substituenten.

2.6 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: Public domain

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!

2.7 Was sagt die Fachliteratur?

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

• Im Fox/Whitesell ^[1] wird dieses Thema nur am Rande gestreift; eine systematische Darstellung der Benennungsregeln für Cycloalkane findet sich dort kaum.
  
  
• Deutlich ausführlicher ist die Darstellung im Vollhardt/Schore ^[2]. Hier gibt es ein eigenes, umfangreiches Kapitel zur organischen Nomenklatur, in dem auch Cycloalkane explizit behandelt werden. Dabei wird unter anderem hervorgehoben, dass bei der Benennung cyclischer Alkane der Ring als Stammstruktur gewählt wird, sofern er mindestens ebenso viele Kohlenstoff-Atome besitzt wie eine angehängte unverzweigte Alkylkette. Diese Darstellung klärt auch typische Grenzfälle, etwa die Benennung eines Cyclopentans mit einer Pentan-Seitenkette.
  
  
• Das Lehrbuch von Clayden, Greeves und Warren ^[3] legt den Schwerpunkt stärker auf Reaktionsmechanismen und konzeptionelle Zusammenhänge. Fragen der elementaren Nomenklatur, insbesondere die Benennung einfacher Cycloalkane, werden dort nur sehr knapp behandelt oder vorausgesetzt.
  
  
• Im Werk von Morrison/Boyd ^[4] findet sich wiederum ein größerer Abschnitt zur Nomenklatur gesättigter Kohlenwasserstoffe, der auch Cycloalkane systematisch einbezieht. Neben einfachen monocyclischen Verbindungen werden dort auch bicyclische Alkane behandelt, also Cycloalkane, bei denen zwei Ringe direkt miteinander verknüpft sind.
  
  
• Sehr empfehlenswert für das Verständnis der räumlichen Struktur von Cycloalkanen ist das Lehrbuch von Wollrab ^[7]. Hier werden Ringspannung, Sesselform, Wannenform, Ringinversion sowie die cis-trans-Isomerie ausführlich und didaktisch klar erläutert. Besonders die Konformationslehre des Cyclohexans wird deutlich ausführlicher behandelt als in vielen einführenden Lehrbüchern.
  
  
• Das moderne Lehrbuch von Latscha, Kazmaier und Klein ^[8] richtet sich vor allem an Studierende im Grundstudium. Es zeichnet sich durch eine gut verständliche Darstellung organisch-chemischer Zusammenhänge aus und eignet sich besonders als Begleitliteratur für die ersten Semester.
  
  
• Wer sich intensiver mit der Struktur, Stabilität und Reaktivität von Cycloalkanen beschäftigen möchte, findet in den Lehrbüchern von Carey/Sundberg ^[9] sowie Smith ^[10] zahlreiche weiterführende Informationen. Diese Werke richten sich allerdings eher an fortgeschrittene Studierende und behandeln viele Themen auf deutlich höherem theoretischem Niveau.