Sowohl die aliphatischen Alkane als auch die Cycloalkane kommen verzweigt vor, wie man im letzten Kapitel am Beispiel Benzin sieht.
Um die enorme Vielfalt der organischen Verbindungen zu benennen, hat man erstmals 1892 auf einem internationalen Kongress in Genf systematische Nomenklaturregeln festgelegt. Diese gelten prinzipiell heute noch, man spricht deshalb von der Genfer Nomenklatur.
Diese „Genfer Regeln“ basieren auf dem Vorschlag, wonach die Kohlenwasserstoffe
als Grundverbindungen angesehen werden. Alle anderen Verbindungsklassen sollten
als Substitutionsprodukte (= Ersetzungsprodukte) behandelt werden. Aus diesem Kongress heraus entwickelte sich eine Organisation, die unter dem Namen „International Union of Pure and Applied Chemistry“ (= IUPAC) bekannt ist. Sie bringt die Nomenklaturregeln ständig auf den neuesten Stand.

Das IUPAC-System basiert bei der Alkan-Nomenklatur auf dem einfachen, fundamentalen Prinzip, alle Verbindungen als Derivate (= Abkömmlinge) der längsten im Molekül vorkommenden Kohlenstoff-Kette zu betrachten. IUPAC-Namen haben im Algemeinen:

• einen Stammnamen, der die C-Hauptkette oder den Hauptring benennt
• eine Nachsilbe (=Endung), die bestimmte funktionelle Gruppen bezeichnet
• Namen von Substituenten (= Atome oder Atomgruppen, die H ersetzen)

Stammnamen sind:

Bei der Benennung der Stoffe geht man wie folgt vor (siehe Bild oben):

Nomenklaturregeln der Alkane
1) Suche die längste C-Kette, (bestimme die höchstoxidierte Gruppe, daraus ergibt sich die typische Endung); bestimme die Substituenten
2) Beziffere diese so, daß Substituenten eine niedrige Ziffer erhalten; die längste Kette ergibt den Stammnamen
3) Bestimme den systematischen Namen, indem die Substituenten dem Stammnamen alphabetisch mit Position vorangestellt werden	a) 3-Methyl-Pentan b) 3-Methyl- Hexan c) 3,5-Dimethyl-Heptan

Dabei nimmt man an. daß z.B. beim Beispiel a) oben die Methylgruppe (-CH₃) am 3. C-Atom ein H-Atom ersetzt hat. Somit liegt ein substituiertes Pentan vor. Auch beim Beispiel b) liegt ein Hexan vor, das am C3 durch eine Methylgruppe substituiert ist.

Nomenklatur bei verzweigten Substituenten

Für verzweigte Alkane , deren Substituenten ebenfalls verzweigt sind gelten die Bezeichnungen in Abb. 6.2.24: iso-, sec-, tert-, neo. Z.B. ein Isopropylrest ist als Substituent mit der Hauptkette nicht mit dem endständigen C-Atom verbunden sondern mit dem mittleren. Werden diese Bezeichnungen nicht verwendet gilt folgende Regelung:

Nomenklatur cyklischer Verbindungen

Bei Cycloalkanen wurde schon erwähnt, daß dem Stammnamen die Vorsilbe Cyclo- hinzugefügt wird. Substituenten werden mit ihrer Position benannt. Der Substituent erhält die Position 1. Bei mehreren Substituenten erhält der längste die Ziffer 1, der nächste eine möglichst niedrige Ziffer wie z.B.in der Abb. 6.2.27.

Weitere Regeln zu Cycloalkanen siehe hier.

Isomere

Vergleicht man z.B. folgende Alkane

Pentan	2-Methylbutan	2,2-Dimethylpropan
C5H12	C5H12	C5H12

so fällt auf, daß die Summenformel, obwohl die Struktur unterschiedlich ist immer gleich ist. Man nennt solche Stoffe Isomere. In der homologen Reihe der Alkane sind Maximalzahlen möglicher Isomere aufgeführt. Butan hat maximal 2 Isomere, Pentan 3 und Hexan 5.

Man unterscheidet Strukturisomere und Stereoisomere. Bei Strukturisomeren besitzen die die Stoffe dieselbe Summenformel jedoch sind die Atome unterschiedlich miteinander verknüpft.
Demnach sind Pentan und 2-Methylbutan Strukturisomere. (Abb. 6.2.28)

Bei Stereoisomeren haben die betrachteten Stoffe dieselbe Summenformel, die Atome sind auch gleich verknüpft nur die räumliche Ausrichtung ist unterschiedlich. Hier ein Beispiel bei den Alkenen:

Da die Doppelbindung nicht frei drehbar ist, kann das Molekül durch Drehung nicht ineinander übergeführt werden (= Stereoisomerie). Mehr dazu bei den Alkenen.

Abb. 6.2.21

Übung

Benennen Sie die unter Abbildung 6.2.15 abgebildeten Stoffe nach der systematischen Nomenklatur. (Auflösung siehe Kapitel zuvor Abb. 6.2.9)

Abb.6.2.22

Übungen

Abb.6.2.24

mehr Alkylreste

Abb.6.2.25

verzweigte Verzweigungen

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Abb.6.2.26

Übungen

Zeichnen Sie die Strukturformeln von: 4-Isopropyl-3-Methylheptan 6-sec-Butyl-5-Isobutyldecan 6-(3-Methylbutyl)-5-(2-Methylpropyl)undecan Lösungen: hier

Abb.6.2.27

verzweigte Cycloalkane

Abb.6.2.28

Isomere

Klicken Sie die Bilder an, um die Moleküle in 3D zusehen

Physikalische Eigenschaften der Alkane

Betrachtet man die in Alkanen vorkommenden Bindungen gemäß dem Orbitalmodell, stellt man fest, daß es sich ausschließlich um s-Bindungen der sp³-Hybridorbitale der C-Atome mit ihresgleichen oder Wasserstoff handelt. Abb. 6.2.30 zeigt das entsprechende Modell für Methan. Das MO für Ethan sieht wie folgt aus:

Im Ethan beträgt die C - C Bindungslänge 154 pm, die C - C Bindungs-dissoziationsenergie 88 Kcal/mol und die Bindungswinkeln sind fast alle 109.5°. Die Bindung zum H-Atom ist 110 pm lang.
Die Sigma-Bindung zwischen beiden C-Atomen ist frei drehbar (ca. 10⁶/sec). Dadurch können verschiedene Konformere entstehen. ( Strukturen, die durch Drehung um Einfachbindungen ineinander überführt werden können, bezeichnet man als Konformationen).

Für das Ethanmolekül könnte man erwarten, daß um die C-C-Bindung freie Rotation möglich ist. Aber experimentelle Untersuchungen und berechnete thermodynamische Daten stimmen nur dann überein, wenn man für die Rotation eine Energiebarriere von etwa 12.6 KJ/Mol annimmt, die dem Energieunterschied zwischen der sogenannten gestaffelten und der ekliptischen Konformation entsprechen muss :

Die gestaffelte Form ist die energetisch niedrigere Konformation, da die H-Atome einen größeren Abstand voneinander haben und sich so weniger abstoßen. Zur Darstellung hat man die Sägebock- und die Newman-Projektion entwickelt (siehe Abb. 6.2.32).

Für längerkettige Alkane gibt es jeweils mehrere energetisch unterschiedliche Konformationen (siehe Butan Abb. 6.2.33).

Auch bei den Cycloalkanen kennt man typische Konformationen. Die Sesselform ist beim Cyklohexan die energetisch günstigere Form.