11.8
Struktura i nazewnictwo epoksydów
Etery cykliczne to związki heterocykliczne z atomem tlenu w pierścieniu i atomami węgla. Nazwy ich zależą od liczby atomów węgla obecnych w ich układz…
Cykliczne analogi eterów z atomem tlenu wbudowanym w pierścień nazywane są eterami cyklicznymi. Ogólny wzór na cykliczne etery to (CH2)nO, gdzie n oznacza liczbę atomów węgla w pierścieniu. W związku z tym cykliczne etery mogą być trzyczłonowymi, czteroczłonowymi, pięcioczłonowymi lub sześcioczłonowymi układami pierścieniowymi.
Trzyczłonowe cykliczne etery nazywane są epoksydami. Ich podstawowa struktura składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów węgla.
Trzyczłonowy układ pierścieniowy jest zbliżony do trójkąta równobocznego i jest mocno odkształcony.
Odkształcenie powstaje w wyniku odchylenia kątów wiązania wewnętrznego od idealnego kąta czworościennego, czyli 109,5°, co prowadzi do ściskania kątów wiązania. Ten szczep pierścieniowy sprawia, że epoksydy są wysoce reaktywne w porównaniu z innymi eterami.
Epoksydy wywodzą swoje nazwy zwyczajowe od nazwy alkenu macierzystego, z którego powstają, po którym następuje słowo "tlenek". Na przykład tlenek etylenu, który jest najprostszym epoksydem, wywodzi swoją nazwę od swojego macierzystego alkenu - etylenu.
Inne przykłady to tlenek cis-2-butenu i tlenek cyklopentenu, formalnie pochodzące odpowiednio z cis-2-butenu i cyklopentenu.
W nomenklaturze IUPAC najprostsza epoksyd, bez podstawień na atomach węgla, nosi nazwę oksiran. Podstawione epoksydy mogą mieć do czterech grup R i są nazywane pochodnymi oksyranów.
Na przykład (2R,3 S)-2,3-dimetylokssiran i (2R,3 S)-2,3-dietylo-2,3-dimetyloksiran mają odpowiednio dwa i cztery podstawniki. Numeracja oksiranu zaczyna się od atomu tlenu, a podstawniki są wymienione alfabetycznie, po którym następuje słowo oksiran.
W przypadkach, gdy epoksyd jest obecny jako część innego systemu węglowodorowego, przed nazwą rodzica dodaje się przedrostek "epoksyd".
Na przykład 1,2-epoksyklopentan ma pierścień epoksydowy jako część innego układu pierścieniowego. Podobnie 2,3-dimetylo-2,3-epoksydowy pentan ma epoksyd jako część prostego łańcucha węglowodorowego.
Łańcuch macierzysty jest ponumerowany w taki sposób, aby atomy węgla epoksydowego otrzymały najniższe możliwe liczby.
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.