11.8
Строение и номенклатура эпоксидов.
Циклические эфиры представляют собой гетероциклические соединения, в кольце которых наряду с атомами углерода есть атом кислорода. Они получили свое н…
Циклические аналоги эфиров с включенным в кольцо атомом кислорода называются циклическими эфирами. Общая формула для циклических эфиров выглядит следующим образом: (CH2)nO, где n представляет собой количество атомов углерода в кольце. Соответственно, циклические эфиры могут быть трехчленными, четырехчленными, пятичленными или шестичленными кольцевыми системами.
Трехчленные циклические эфиры называются эпоксидами. Их основная структура состоит из одного атома кислорода и двух атомов углерода.
Трехчленная кольцевая система приближается к равностороннему треугольнику и имеет высокую деформацию.
Деформация возникает из-за отклонения углов внутренней связи от идеального тетраэдрального угла, то есть 109,5°, что приводит к сжатию углов связи. Эта кольцевая деформация делает эпоксиды высокореакционноспособными по сравнению с другими эфирами.
Эпоксиды получают свои распространенные названия от названия исходного алкена, из которого они образуются, за которым следует слово «оксид». Например, окись этилена, которая является простейшей эпоксидной, получила свое название от своего родительского алкена — этилена.
Другие примеры включают оксид цис-2-бутена и оксид циклопентена, формально полученные из цис-2-бутена и циклопентена, соответственно.
В номенклатуре ИЮПАК простейший эпоксид, не имеющий замен на атомах углерода, называется оксираном. Замещенные эпоксиды могут иметь до четырех R-групп и называются производными оксиранов.
Например, (2R,3 S)-2,3-диметилоксиран и (2R,3 S)-2,3-диэтил-2,3-диметилоксиран имеют два и четыре заместителя соответственно. Нумерация оксиранов начинается с атома кислорода, а заместители перечисляются в алфавитном порядке, за которыми следует слово оксиран.
В тех случаях, когда эпоксид присутствует в составе другой углеводородной системы, перед именем родителя добавляется приставка «эпоксидная смола».
Например, 1,2-эпоксициклопентан имеет эпоксидное кольцо как часть другой кольцевой системы. Аналогично, 2,3-диметил-2,3-эпоксидный пентан имеет эпоксид как часть прямой углеводородной цепи.
Родительская цепь нумеруется таким образом, чтобы атомы углерода эпоксидной смолы получали минимально возможные номера.
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.