DieCycloalkane (Cyclane, ältere Bezeichnung:Naphthene, Cycloparaffine) sind eineStoffgruppe von ringförmigen, gesättigtenKohlenwasserstoffen. Die Ringe könnenSeitenketten tragen.^[1] In der Systematik derorganischen Chemie zählt man sie zu denalicyclischen Verbindungen. Die Cycloalkane ohne Seitenketten bilden einehomologe Reihe mit derallgemeinen Summenformel C_nH_2n, wobei n ≥ 3 ist. Somit ist das kleinste vorkommende Cycloalkan dasCyclopropan.

Natürlich vorkommende Cycloalkane (Cyclopentan,Cyclohexan,Cycloheptan) wurden als erstes vomChemikerWladimir Wassiljewitsch Markownikow in derRohbenzin-Fraktion, auchNaphtha genannt, deskaukasischenErdöls gefunden. Die BezeichnungNaphthen, die gelegentlich für alle Cycloalkane verwendet wird, stammt daher. Meist wird diese unpräzise Bezeichnung aber nur auf dieDerivate des Cyclopentans und -hexans angewandt. In derErdölindustrie ist sie noch heute gebräuchlich.

Ein Einteilungskriterium für Cycloalkane ist die Größe des Kohlenstoffrings. Cycloalkane, deren cyclische Kohlenstoffkette drei oder vier Kohlenstoffatome enthält, werden als klein, von fünf bis sieben als normal, von acht bis elf als mittlere und mehr als elf als größere bezeichnet.

Neben einfachen Ringen derMonocyclen gibt es Cycloalkane, die aus mehreren miteinander verbundenen Ringen bestehen, sie werdenpolycyclische Alkane genannt. Dabei gibt es wiederum unterschiedliche Möglichkeiten, die Ringe zu verbinden: Man unterscheidetverbundene (kondensierte) undverbrückte Polycyclen sowieSpiroverbindungen.

Die Namen der Cycloalkane werden aus denjenigen der entsprechenden offenkettigenAlkane mit gleicher Kohlenstoffanzahl durch die VorsilbeCyclo gebildet.

Polycyclische Alkane werden ebenfalls nach den Alkanen mit gleicher Anzahl an Kohlenstoffen benannt. Die Anzahl der Ringe wird durch die VorsilbeBicyclo,Tricyclo usw. angegeben. Die Kohlenstoffanzahl zwischen Kohlenstoff-Atomen, die Ringe verbinden (so genannte "Brückenkopfatome"), wird in absteigender Reihenfolge in eckigen Klammern dem Namen vorangestellt. Die Benennung von Spiroverbindungen geschieht in gleicher Weise, jedoch wird statt der VorsilbeBicyclo,Tricyclo usw.Spiro verwendet. Weist dasMolekül Substituenten auf, wird deren Ort mit einer Zahl am Anfang gekennzeichnet, darauf folgt, getrennt durch ein-, der Name des Substituenten und schließlich der Name des Cycloalkanrings.

InStrukturformelzeichnungen der Cycloalkane werden die Ringe verkürzt durchVielecke dargestellt. Cycloalkane kann man sich als eine Form der Alkane vorstellen, bei der die beiden Enden der Kohlenstoffkette miteinander verknüpft sind. Es handelt sich nicht umIsomere der Alkane. Sie sind wie die Alkane gesättigte Verbindungen.

Da die Rotation eines Substituenten um ein Ringkohlenstoffatom unmöglich ist, tritt eine spezielle Form der Isomerie auf, diecis-trans-Isomerie. Beicis-trans-Isomeren ist die räumliche Anordnung von Substituenten unterschiedlich. Die Substituenten können auf der gleichen Seite (cis) oder auf unterschiedlichen Seiten (trans) derRingbindung liegen.

Um Molekülspannungen zu umgehen, sind die Cycloalkane nicht, wie häufig dargestellt, planar. Sie liegen vielmehr in Konformationen vor, in denen der Innenwinkel der Tetraederform (109,45°) möglichst erhalten bleibt. BeiCyclopropan,Cyclobutan und Cyclopentan wird dieser Winkel nicht ganz erreicht, es kommt zur sogenanntenBaeyer-Spannung; wegen dieser Spannung sind diese Moleküle reaktiver. Im Cyclohexanmolekül hat diese Spannung aber bereits nahezu keinen Einfluss mehr.^[2]

Die ringförmige Struktur der Cycloalkane wirkt sich auf ihre Reaktivität und die Schmelz- und Siedepunkte aus. Schmelz- und Siedepunkt eines monocyclischen Alkans sind immer höher als die des entsprechendenn-Alkans, da dieLondonsche Wechselwirkung beim Cycloalkan wegen seiner starreren Struktur stärker ist als beim flexiblerenn-Alkan. Die Siedetemperatur ist 3 bis 7 % höher, die Dichte steigt um ca. 15 bis 19 % und das Molvolumen nimmt bei 20 °C auf 83 % ab.
Cyclopropan, Cyclobutan und Cyclopentan sind reaktiver als die höheren Cycloalkane, weil bei ihnen dieBaeyer-Spannung eintritt.

Monocyclische unsubstituierte Alkane mit drei oder vier Kohlenstoffatomen sind unter Normalbedingungen gasförmig, ab fünf Kohlenstoffatomen sind sie flüssig.

In Wasser sind Cycloalkane schlecht löslich bis unlöslich. Cycloalkane sind leicht entflammbar, jedoch relativ reaktionsträge. Sie gehen im Wesentlichen die gleichen Reaktionen wie dieAlkane ein.

Neben dem in vielenSteroiden undTerpenen vorkommenden Sechsring desCyclohexans gibt es in der Natur viele weitere Derivate von kleinen Ringen undMakrocyclen. Die Steroide bauen auf dem CycloalkanGonan auf.

Viele Cycloalkane wie Cyclohexan,Methylcyclohexan und Cyclopentan kommen im Erdöl vor. Dort wurden auch geringe Mengen der kristallinen Feststoffe derDiamantoide gefunden, deren einfachster Vertreter dasAdamantan ist.

Cycloalkane mit einem Kohlenstoffanteil von 14 bis 18 kommen zum Beispiel in Riechstoffen wie demMoschus vor, der aus einer Drüse derMoschustiere (Moschidae) gewonnen wird.

Cyclohexan sowieCyclododecan sind Ausgangsmaterialien für dieSynthese vonCaprolactam beziehungsweiseLaurinlactam. Ebenso wie die daraus abgeleitetenDicarbonsäuren werden diese für die Herstellung vonPolyamiden benötigt.

Cyclohexan,Decalin,Cyclopentan undMethylcyclohexan werden alsLösungsmittel verwendet.

• Josef Houben, Theodor Weyl:Methods of Organic Chemistry, Ln; Methoden der organischen Chemie, Ln, Bd.5/1a, Alkane, Cycloalkane. Thieme, Stuttgart 1994,ISBN 3-13-202204-7

1. ↑Eintrag zucycloalkanes. In:IUPAC (Hrsg.):Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”.doi:10.1351/goldbook.C01497 – Version: 2.1.5.
2. ↑K. Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore, Übersetzung herausgegeben von Holger Butenschön:Organische Chemie. Weinheim 2020,ISBN 978-3-527-34582-3, S. 171 ff.

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