11.8
Estructura y nomenclatura de los epóxidos.
Los éteres cíclicos son compuestos heterocíclicos con un átomo de oxígeno en el anillo junto con átomos de carbono. Se nombran según la cantidad de át…
Los análogos cíclicos de los éteres con un átomo de oxígeno incorporado en el anillo se denominan éteres cíclicos. La fórmula general para los éteres cíclicos es (CH2)nO, donde n representa el número de átomos de carbono en el anillo. En consecuencia, los éteres cíclicos pueden ser sistemas de anillo de tres, cuatro, cinco o seis miembros.
Los éteres cíclicos de tres miembros se denominan epóxidos. Su estructura básica consta de un átomo de oxígeno y dos átomos de carbono.
El sistema de anillos de tres miembros se aproxima a un triángulo equilátero y es muy tenso.
La tensión surge debido a la desviación de los ángulos de enlace interiores del ángulo tetraédrico ideal, es decir, 109,5°, lo que lleva a la compresión de los ángulos de enlace. Esta deformación del anillo hace que los epóxidos sean altamente reactivos en comparación con otros éteres.
Los epóxidos derivan sus nombres comunes del nombre del alqueno padre del que se forman, seguido de la palabra "óxido". Por ejemplo, el óxido de etileno, que es el epóxido más simple, deriva su nombre de su alqueno principal: el etileno.
Otros ejemplos incluyen el óxido de cis-2-buteno y el óxido de ciclopenteno, derivados formalmente del cis-2-buteno y el ciclopenteno, respectivamente.
En la nomenclatura de la IUPAC, el epóxido más simple, sin sustituciones en los átomos de carbono, se llama oxirano. Los epóxidos sustituidos pueden tener hasta cuatro grupos R y se denominan derivados de los oxiranos.
Por ejemplo, (2R,3 S)-2,3-dimetiloxirano y (2R,3 S)-2,3-dietil-2,3-dimetiloxirano tienen dos y cuatro sustituyentes, respectivamente. La numeración del oxirano comienza desde el átomo de oxígeno, y los sustituyentes se enumeran alfabéticamente, seguidos de la palabra oxirano.
En los casos en que el epóxido está presente como parte de otro sistema de hidrocarburos, se agrega el prefijo "epoxi" antes del nombre del padre.
Por ejemplo, el 1,2-epoxiciclopentano tiene el anillo de epóxido como parte de otro sistema de anillos. De manera similar, el 2,3-dimetil-2,3-epoxi pentano tiene el epóxido como parte de una cadena recta de hidrocarburos.
La cadena principal está numerada de tal manera que los átomos de carbono epoxi reciben los números más bajos posibles.
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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.