11.8
אתרים טבעתיים הם תרכובות הטרוסיקליות עם אטום חמצן בטבעת יחד עם אטומי פחמן. הם נקראים בהתאם למספר אטומי הפחמן הנמצאים במערכת הטבעת שלהם. אתרים טבעתיים…
אנלוגים מחזוריים של אתרים עם אטום חמצן המשולב בטבעת נקראים אתרים מחזוריים. הנוסחה הכללית עבור אתרים מחזוריים היא (CH2)nO, כאשר n מייצג את מספר אטומי הפחמן בטבעת. בהתאם לכך, אתרים מחזוריים יכולים להיות מערכות טבעות בנות שלושה איברים, ארבעה איברים, חמישה איברים או שישה איברים.
האתרים המחזוריים בעלי שלושת האיברים נקראים אפוקסידים. המבנה הבסיסי שלהם מורכב מאטום חמצן אחד ושני אטומי פחמן.
מערכת הטבעות בעלת שלושת האיברים מתקרבת למשולש שווה צלעות והיא מתוחה מאוד.
המתח נובע מהסטייה של זוויות הקשר הפנימיות מהזווית הטטרהדרלית האידיאלית, כלומר 109.5°, מה שמוביל לדחיסת זוויות הקשר. זן טבעתי זה גורם לאפוקסיד להיות תגובתי מאוד בהשוואה לאתרים אחרים.
אפוקסידים שואבים את שמותיהם הנפוצים משמו של אלקן האב שממנו הם נוצרים, ואחריו המילה "תחמוצת". לדוגמה, אתילן אוקסיד, שהוא האפוקסיד הפשוט ביותר, שואב את שמו מהאלקן האב שלו – אתילן.
דוגמאות אחרות כוללות תחמוצת cis-2-butene, ותחמוצת cyclopentene, הנגזרים באופן רשמי cis-2-butene ו cyclopentene, בהתאמה.
במינוח IUPAC, האפוקסיד הפשוט ביותר, ללא תחליפים על אטומי הפחמן, נקרא אוקסיראן. לאפוקסידים מוחלפים יכולות להיות עד ארבע קבוצות R והם נקראים כנגזרות של אוקסירנים.
לדוגמה, (2R,3 S)-2,3-dimethyloxirane ו- (2R,3 S)-2,3-diethyl-2,3-dimethyloxirane יש שניים וארבעה תחליפים, בהתאמה. המספור של האוקסירן מתחיל מאטום החמצן, והמרכיבים רשומים בסדר אלפביתי, ואחריו המילה oxirane.
במקרים בהם האפוקסיד נמצא כחלק ממערכת פחמימנים אחרת, הקידומת "אפוקסי" מתווספת לפני שם ההורה.
לדוגמה, 1,2-אפוקסיציקלופנטאן מכיל את טבעת האפוקסיד כחלק ממערכת טבעות אחרת. באופן דומה, 2,3-dimethyl-2,3-epoxy pentane מכיל את האפוקסיד כחלק משרשרת פחמימנים ישרה.
שרשרת האב ממוספרת כך שאטומי פחמן אפוקסי מקבלים את המספרים הנמוכים ביותר האפשריים.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.