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Verbrückte Kohlenwasserstoffe
Unter dem Begriff Verbrückte Kohlenwasserstoffe werden in der organischen Chemie gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit mehreren verknüpften …
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Grundidee und Aufbau
Verbrückte Kohlenwasserstoffe sind in der organischen Chemie gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit mehreren verknüpften Ringstrukturen. Sie lassen sich von Cycloalkanen ableiten: Dabei werden zwei nicht benachbarte Kohlenstoffatome direkt oder über eine Kette aus einer oder mehreren Methylengruppen verbunden. So entstehen bicyclische Kohlenwasserstoffe, also Verbindungen mit zwei Ringen.
Aus einem Cycloalkan mit m+n+2 Kohlenstoffatomen kann durch Einfügen einer Kette aus r Kohlenstoffatomen ein Bicyclo[m,n,r]alkan konstruiert werden. Die verbindenden Kohlenstoffatome heißen Brücken. Die beiden Verknüpfungsstellen, also die tertiären Kohlenstoffatome, heißen Brückenköpfe oder Brückenkopfatome.
Zur Beschreibung der Brücken verwendet man Bezeichnungen, die von Alkanen abgeleitet sind: Methano- steht für –CH2–, Ethano- für –CH2CH2–, Propano- für –CH2CH2CH2– und so weiter. Sind die beiden Brückenkopfatome direkt miteinander verbunden, spricht man von einer „Null-Brücke“. Dann liegt eine Verbindung mit kondensierten Ringen vor.
Benennung nach Von Baeyer
Die Benennung verbrückter Kohlenwasserstoffe erfolgt nach der Von-Baeyer-Nomenklatur. Sie wurde ursprünglich für bicyclische Verbindungen entwickelt und später auf polycyclische Verbindungen erweitert. Diese Nomenklatur ist Bestandteil der IUPAC-Regeln. IUPAC-Regeln sind internationale Regeln zur eindeutigen chemischen Benennung.
Besonders bei bicyclischen Kohlenwasserstoffen sind daneben oft Trivialnamen gebräuchlich. Viele dieser Namen leiten sich von Naturstoffen ab. Für eine systematische und eindeutige Bezeichnung ist aber die Von-Baeyer-Nomenklatur entscheidend.
Gesättigte bicyclische Verbindungen
Gesättigte bicyclische Kohlenwasserstoffe werden nach der Von-Baeyer-Nomenklatur als Bicycloalkane bezeichnet, zum Beispiel Bicyclobutan, Bicyclopentan oder Bicyclohexan. „Gesättigt“ bedeutet hier, dass keine C=C-Doppelbindungen vorkommen.
Die Anzahl der Kohlenstoffatome in den drei Brücken wird in eckigen Klammern direkt nach dem Wortteil „Bicyclo“ angegeben. Die Zahlen stehen in fallender Reihenfolge und werden durch Punkte getrennt. Beispiele sind Bicyclo[2.2.2]octan, Bicyclo[3.3.1]nonan und Bicyclo[3.3.3]undecan.
Auch kondensierte bicyclische Verbindungen können so benannt werden. Beispiele sind Bicyclo[4.4.0]decan, Bicyclo[4.3.0]nonan, Bicyclo[3.2.0]heptan und Bicyclo[2.1.0]pentan. Die 0 in der Klammer zeigt eine Null-Brücke an, also eine direkte Verbindung der Brückenköpfe.
Für die Nummerierung der Ringpositionen, die Lokanten heißen, gilt die IUPAC-Regel A-31.2: „Die Numerierung eines verbrückten Kohlenwasserstoffs beginnt an einem Brückenkopf; man numeriert auf dem längstmöglichen Weg zum anderen Brückenkopf, von diesem Atom aus auf dem längeren der beiden restlichen Wege zum ersten Brückenkopf zurück und dann auf dem kürzesten Weg zu Ende.“ Als Beispiel nennt der Artikel Bicyclo[3.2.1]octan.
Ungesättigte bicyclische Verbindungen
Bicyclische Kohlenwasserstoffe können eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen enthalten. Solche Verbindungen heißen ungesättigt. Wie bei Cycloalkenen werden sie durch die Endung „-en“ gekennzeichnet.
Bei einer Doppelbindung wird von den beteiligten Kohlenstoffatomen nur die niedrigste Position angegeben. Wenn es mehrere Möglichkeiten für die Nummerierung gibt, erhalten die Mehrfachbindungen die niedrigsten Nummern. Dadurch wird die Lage der Doppelbindung im Molekül eindeutig und möglichst niedrig beziffert.
Als Beispiele nennt der Artikel ungesättigte Bicyclo[3.2.1]octane: Bicyclo[3.2.1]oct-6-en und Bicyclo[3.2.1]octa-2,6-dien. Die zweite Verbindung enthält zwei Doppelbindungen, die durch „-dien“ angezeigt werden.
Polycyclische Systeme
Werden in bicyclische Kohlenwasserstoffe weitere Brücken eingeführt, entstehen polycyclische Verbindungen. Eine zusätzliche Brücke ergibt ein tricyclisches System, also eine Verbindung mit drei Ringen. Eine zweifache weitere Überbrückung führt zu tetracyclischen Kohlenwasserstoffen, und entsprechend geht es weiter.
Als Beispiele für tricyclische Kohlenwasserstoffe behandelt der Artikel Adamantan sowie seine Synthesevorstufen Dicyclopentadien und Tetrahydrodicyclopentadien. Adamantan kann durch Hydrierung von Dicyclopentadien und anschließende Isomerisierung der Tetrahydro-Verbindung entstehen.
Zur systematischen Benennung von Adamantan wird zuerst bestimmt, wie viele Ringe das Molekül enthält. Nach IUPAC-Regel A-32.12 gilt: „Als Zahl der Ringe eines polycyclischen Systems ist die Anzahl der Schnitte anzusehen, die zur Überführung des Systems in eine offenkettige Verbindung nötig sind“. Bei Adamantan sind drei Schnitte nötig. Da das Molekül aus zehn Kohlenstoffatomen besteht, ist es ein Tricyclodecan.
Anschließend werden Hauptring, Zweige des Hauptrings und Nebenbrücke bestimmt. Beim Adamantan enthält der Hauptring nach dem ersten Schnitt acht C-Atome; die längsten Zweige bestehen jeweils aus drei Kohlenstoffatomen. Die Hauptbrücke ist C1, daher liegt ein Bicyclo[3.3.1]-System vor. Die Nebenbrücke ist ebenfalls C1, also ergibt sich ein Tricyclo[3.3.1.1]-System. Da die Nebenbrücke C-3 mit C-7 verknüpft, lautet der systematische Name: Tricyclo[3.3.1.1^3,7]decan.
Tetrahydrodicyclopentadien enthält eine Nullbrücke. Von den zwei möglichen Stereoisomeren zeigt der Artikel das endo-Stereoisomer; die Von-Baeyer-Nomenklatur unterscheidet nach ihrer Definition jedoch nicht zwischen Stereoisomeren. Drei Schnitte sind nötig, um ein offenkettiges Alkan zu erhalten. Schneidet man die Nullbrücke auf, erhält man ein Bicyclo[5.2.1]-System. Durch Verknüpfung der Kohlenstoffatome C-2 und C-6 ergibt sich der Name Tricyclo[5.2.1.0^2,6]decan. Dicyclopentadien enthält zusätzlich zwei Doppelbindungen, die bei C-3 und C-8 beginnen; sein Name lautet Tricyclo[5.2.1.0^2,6]deca-3,8-dien.
