11.8
Struktur und Nomenklatur von Epoxiden
Zyklische Ether sind heterozyklische Verbindungen mit einem Sauerstoffatom im Ring und Kohlenstoffatomen. Sie werden nach der Anzahl der in ihrem Ring…
Zyklische Analoga von Ethern mit einem Sauerstoffatom, das in den Ring eingebaut ist, werden als zyklische Ether bezeichnet. Die allgemeine Formel für zyklische Ether lautet (CH2)nO, wobei n die Anzahl der Kohlenstoffatome im Ring darstellt. Dementsprechend können zyklische Ether dreigliedrige, viergliedrige, fünfgliedrige oder sechsgliedrige Ringsysteme sein.
Die dreigliedrigen zyklischen Ether werden als Epoxide bezeichnet. Ihre Grundstruktur besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Kohlenstoffatomen.
Das dreigliedrige Ringsystem nähert sich einem gleichseitigen Dreieck an und ist stark gespannt.
Die Dehnung entsteht aufgrund der Abweichung der inneren Bindungswinkel vom idealen Tetraederwinkel, d.h. 109,5°, was zur Kompression der Bindungswinkel führt. Diese Ringdehnung macht Epoxide im Vergleich zu anderen Ethern hochreaktiv.
Epoxide leiten ihre gebräuchlichen Namen vom Namen des Ausgangsalkens ab, aus dem sie gebildet werden, gefolgt von dem Wort "Oxid". Zum Beispiel leitet sich Ethylenoxid, das einfachste Epoxid, von seinem Mutteralken – Ethylen – ab.
Andere Beispiele umfassen cis-2-Butenoxid und Cyclopentenoxid, formal abgeleitet von cis-2-Buten bzw. Cyclopenten.
In der IUPAC-Nomenklatur wird das einfachste Epoxid ohne Substitutionen an den Kohlenstoffatomen als Oxiran bezeichnet. Substituierte Epoxide können bis zu vier R-Gruppen haben und werden als Derivate von Oxiranen bezeichnet.
Zum Beispiel haben (2R,3 S)-2,3-dimethyloxiran und (2R,3 S)-2,3-diethyl-2,3-dimethyloxiran zwei bzw. vier Substituenten. Die Nummerierung des Oxirans beginnt mit dem Sauerstoffatom, und die Substituenten sind alphabetisch aufgelistet, gefolgt von dem Wort Oxiran.
In Fällen, in denen das Epoxid als Teil eines anderen Kohlenwasserstoffsystems vorhanden ist, wird das Präfix "Epoxid" vor dem Namen des Elternteils hinzugefügt.
Zum Beispiel weist 1,2-Epoxycyclopentan den Epoxidring als Teil eines anderen Ringsystems auf. In ähnlicher Weise weist 2,3-Dimethyl-2,3-epoxidpentan das Epoxid als Teil einer geraden Kohlenwasserstoffkette auf.
Die Mutterkette wird so nummeriert, dass die Epoxidkohlenstoffatome die geringstmögliche Anzahl erhalten.
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Q1: What is the basic structure of an epoxide?
An epoxide is a three-membered cyclic ether containing one oxygen atom and two carbon atoms. This compact ring structure approximates an equilateral triangle and is highly strained because the interior bond angles deviate significantly from the ideal tetrahedral angle of 109.5 degrees, compressing the bonds and making epoxides highly reactive compared to other ethers.
Q2: Why are epoxides more reactive than other ethers?
Epoxides are more reactive due to ring strain in their three-membered ring system. The compressed bond angles deviate substantially from the ideal tetrahedral angle of 109.5 degrees, creating significant angular strain. This strain makes the ring unstable and prone to ring-opening reactions, which is why epoxides undergo acid-catalyzed ring opening of epoxides and base-catalyzed ring opening of epoxides more readily than larger cyclic ethers.
Q3: How are epoxides named using common nomenclature?
Common names for epoxides are derived from their parent alkene by adding the suffix 'oxide.' For example, ethylene oxide comes from ethylene, cis-2-butene oxide from cis-2-butene, and cyclopentene oxide from cyclopentene. This naming convention directly reflects the alkene precursor from which each epoxide is formed.
Q4: What is the IUPAC name for the simplest epoxide?
The simplest epoxide with no substituents is named oxirane in IUPAC nomenclature. Substituted epoxides are named as derivatives of oxirane, with numbering starting from the oxygen atom and substituents listed alphabetically. For example, (2R,3S)-2,3-dimethyloxirane has two methyl substituents on the oxirane ring.
Q5: How is the epoxy prefix used in IUPAC nomenclature?
When an epoxide is part of a larger hydrocarbon system rather than the main functional group, the prefix 'epoxy' is added before the parent structure name. For example, 1,2-epoxycyclopentane has the epoxide ring incorporated into a cyclopentane system, and 2,3-dimethyl-2,3-epoxypentane has the epoxide within a pentane chain. Parent chain numbering ensures epoxy carbons receive the lowest possible numbers.
Q6: What are the different types of cyclic ethers based on ring size?
Cyclic ethers are classified by the number of carbons in their ring system. Three-membered rings are called oxiranes or epoxides, four-membered rings are oxetanes, five-membered rings are oxolanes, and six-membered rings are oxanes. Ring strain increases as ring size decreases, making three-membered epoxides significantly more strained and reactive than larger cyclic ethers.
Q7: How does ring size affect strain in cyclic ethers?
Ring strain is inversely related to ring size in cyclic ethers. Three-membered rings experience the greatest strain because their bond angles deviate most from the ideal tetrahedral angle of 109.5 degrees. As ring size increases to four, five, or six-membered systems, the strain decreases because the rings can accommodate more normal bond angles, making larger cyclic ethers significantly less reactive than epoxides.