Rekapitulation des Schulwissens
In der Schule haben Sie im Zusammenhang mit der elektrophilen Addition (AE) an Alkene wahrscheinlich bereits über die Bromierung von Cyclohexen gesprochen. Diese Reaktion eignet sich hervorragend, um den Rückseitenangriff des Bromid-Ions und damit den Mechanismus der elektrophilen Addition anschaulich zu erklären.
Bei dieser Reaktion entsteht durch den Rückseitenangriff des Bromid-Ions praktisch nur das trans-1,2-Dibromcyclohexan.
Auf dieser Seite vertiefen wir das Thema cis-trans-Isomerie, damit Sie gut auf das Chemie-Studium vorbereitet sind.
cis-trans-Isomerie bei 1,2-Dibromcyclohexan
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain
5.1 cis-trans-Isomerie bei substituierten Cycloalkanen
Ein erstes Beispiel für cis-trans-Isomerie haben wir bereits in der Rekapitulation kennengelernt. Wenn Sie jetzt in Gedanken die beiden Brom-Atome durch Methyl-Gruppen ersetzt, haben Sie das einfachste Beispiel für cis-trans-Isomerie bei substituierten Cycloalkanen.
Die drei Dibromcyclopropane
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain
Dieses Bild zeigt - von links nach rechts - Molekülmodelle von 1,1-Dibromcyclopropan, trans-1,2-Dibromcyclopropan und cis-1,2-Dibromcyclopropan.
Bei 1,1-Dibromcyclopropan und den beiden 1,2-Dibromcyclopropanen handelt es sich um Konstitutions-Isomerie, bei trans-1,2-Dibromcyclopropan und cis-1,2-Dibromcyclopropanum cis-trans-Isomerie, einer Spezialform der Stereoisomerie.
Die fünf Dibromcyclobutane
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain
Dieses Bild zeigt die fünf Isomere des Dibromcyclobutans in stark schematisierter Weise und zusätzlich ein Molekülmodell des cis-1,2-Dibromcyclobutans.
5.2 Konformationsisomerie von Cycloalkanen
5.2.1 Was sind Konformationen?
Konformations-Isomere einer Verbindung dürfen nicht mit Konstitutions-Isomeren verwechselt werden.
Konformations-Isomere unterscheiden sich ausschließlich durch Rotation um C-C-Einfachbindungen; dabei werden keine kovalenten Bindungen gebrochen.
Die Umwandlung von einem Konformer in ein anderes erfolgt in der Regel sehr schnell, oft mehrere Millionen Mal pro Sekunde. Daher kann ein einzelnes Konformer (so nennt man die Moleküle, die in einer bestimmten Konformation vorliegen) unter normalen Bedingungen in der Regel nicht isoliert werden.
5.2.2 Können Cycloalkane überhaupt Konformationen haben?
Betrachtet man eine Verbindung wie Cyclopropan oder Cyclobutan, kommt man normalerweise nicht auf die Idee, dass hier Drehungen um die C-C-Einfachbindungen stattfinden können. Schließlich handelt es sich um ringförmige Moleküle. Wenn Sie ein solches Molekül einmal mit einem Molekülbaukasten gebaut haben, werden Sie festgestellt haben, dass solche Drehungen beim Cyclopropan unmöglich und beim Cyclobutan nur sehr eingeschränkt möglich sind.
Tatsächlich kennt man jedoch beim Cyclobutan eine Konformation, die sich deutlich von der völlig planaren Anordnung unterscheidet: die Segelboot-Konformation (im Englischen als butterfly conformation bezeichnet).
"Umklappen" oder Ring-Inversion des Cyclobutan-Moleküls
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain.
In dieser Konformation ist das Cyclobutan nicht mehr planar. Je nach Betrachtungsweise befinden sich entweder drei Methylen-Gruppen (CH2-Gruppen) in einer Ebene und die vierte Methylen-Gruppe ist nach oben oder unten aus der Ebene herausgeklappt, oder zwei gegenüberliegende Methylen-Gruppen heben sich symmetrisch aus der - jetzt nur noch gedachten - Ringebene heraus.
Man könnte nun annehmen, dass die Ursache für diese Segelboot-Konformation die hohe Winkelspannung des planaren Cyclobutans ist. Das ist aber nicht der Fall. In der Segelboot-Konformation ist die Winkelspannung wegen der spitzeren Winkel sogar noch größer als in der planaren Konformation.
Die Torsionsspannung dagegen ist wesentlich geringer, die die H-Atome in der Segelboot-Konformation nicht mehr vollkommen ekliptisch zueinander stehen.
Insgesamt ist die Ringspannung (Winkelspannung + Torsionsspannung) dieser Konformation daher geringer als die der planaren Konformation.
Pentan, Hexan und höhere Cycloalkane
Je mehr C-Atome ein Cycloalkan besitzt, desto leichter können sich energieärmere Konformationen bilden, weil sich größere Ringe leichter aus der Ebene heraus verformen können. Dadurch werden sowohl ungünstige Bindungswinkel als auch ekliptische Stellungen der Bindungen vermieden.
Weitere Informationen zu den drei Cycloalkanen finden Sie auf diesen Lexikonseiten. Hier wird auch auf die möglichen Konformationen sowie die damit verbundenen Ringspannungen eingegangen. Vor allem die Seite zum Cyclohexan sollten Sie lesen, von diesem wichtigen Cycloalkan gibt es mehrere stabile Konformationen, die auch in der Biologie und Biochemie eine wichtige Rolle spielen. Das Glucose-Molekül beispielsweise hat ähnliche Konformationen wie das Cyclohexan.
Zur Erinnerung:
Die drei Komponenten der Ringspannung
Die Ringspannung von Cycloalkanen setzt sich aus drei Anteilen zusammen:
Baeyer-Spannung (Winkelspannung):
Entsteht durch Abweichung der C-C-C-Bindungswinkel vom idealen Tetraederwinkel (109,5º).
Pitzer-Spannung (Torsions- oder konformative Spannung):
Beruht auf ekliptischer Anordnung von Bindungen, wenn keine vollständig gestaffelte Konformation möglich ist.
Prelog-Spannung (transannulare Spannung):
Tritt bei größeren Ringen auf und entsteht durch sterische Wechselwirkungen (Abstoßungskräfte) zwischen nicht benachbarten Atomen und Atomgruppen.
Die Ringspannung eines Cycloalkans ist die Summe aus diesen drei Komponenten.
5.3 Konstitutions-Isomerie bei Cycloalkanen
Einfache Cycloalkane
Bei den einfachen Cycloalkanen wie beispielsweise Cyclopentan oder Cyclohexan gibt es nur eine mögliche Konstitution, bei der die fünf oder sechs C-Atome ringförmig miteinander verbunden sind.
Einfache Cycloalkane mit Substituenten
Wenn ein einfaches Cycloalkan mehr als einen Substituenten hat, kann man verschiedene Konstitutions-Isomere unterscheiden. Schauen wir uns das einmal am Beispiel des Dimethylcyclohexans an. Hier gibt es verschiedene Konstitutionen.
1. Die beiden Methyl-Gruppen können sich am gleichen C-Atom befinden. Diese Verbindung heißt dann 1,1-Dimethylcyclohexan.
2. Die beiden Methyl-Gruppen befinden sich an zwei verschiedenen C-Atomen. Hier gibt es dann drei verschiedene Konstitutionen, nämlich
- 1,2-Dimethylcyclohexan
- 1,3-Dimethylcyclohexan und
- 1,4-Dimethylcyclohexan
Alle drei Konstitutionen können dann auch noch in zwei verschiedenen Konfigurationen vorliegen, nämlich in der cis-Konfiguration oder in der trans-Konfiguration.
Insgesamt gibt es somit sieben verschiedene Isomere des Dimethylcyclohexans, darunter vier Konstitutions-Isomere.
Exkurs: ➥Konstitution und Konfiguration
Es ist sehr wichtig, dass man diese beiden Fachbegriffe nicht verwechseln. Mit diesen beiden Begriffen haben viele Studierende des ersten Semesters tatsächlich noch große Probleme. Daher wollen wir in diesem Textkasten einmal den Unterschied genau klären. Ich habe den folgenden Text von ChatGPT generieren lassen und dann fachlich überprüft:
Konstitution
Die Konstitution beschreibt, welche Atome miteinander verbunden sind. Ändert sich die Reihenfolge der Bindungen, entsteht eine neue Konstitution. Beim Dimethylcyclohexan gibt es beispielsweise vier verschiedene Konstitutionen: 1,1-, 1,2-, 1,3- und 1,4-Dimethylcyclohexan. In jeder dieser Verbindungen sind die beiden Methyl-Gruppen mit anderen Kohlenstoff-Atomen des Rings verknüpft.
Konfiguration
Die Konfiguration beschreibt dagegen die räumliche Anordnung der Atome, ohne dass sich die Konstitution ändert. Moleküle, die sich nur in ihrer Konfiguration unterscheiden, gehören zur Gruppe der Stereoisomere.
Beim 1,2-Dimethylcyclohexan sind die beiden Methyl-Gruppen weiterhin mit den Kohlenstoff-Atomen 1 und 2 verbunden. Sie können jedoch auf derselben Seite der Ringebene liegen (cis) oder auf entgegengesetzten Seiten (trans). Die Konstitution bleibt also unverändert, nur die räumliche Anordnung der Atome ist unterschiedlich.
Da sich cis- und trans-Isomere nicht allein durch Drehung um C-C-Einfachbindungen ineinander umwandeln lassen, gehören sie zur Gruppe der Konfigurations-Isomere, einer Untergruppe der Stereoisomere.
Bicyclische Cycloalkane
Bei bicyclischen Cycloalkanen spielt die Konstitutions-Isomerie ebenfalls eine wichtige Rolle. Betrachten wir dazu die Verbindung Cycloheptan.
Zwei Cycloalkane mit sieben C-Atomen
Autor: Ulrich Helmich 02/2026, Lizenz: Public domain
Dieses Bild zeigt zwei computergenerierte Molekülmodelle von Cycloalkanen mit sieben C-Atomen. Links sehen wir das uns vertrauteCycloheptan, rechts dagegen ein Bicycloheptan, eine sogenannte Brückenverbindung. Der korrekte Name dieser Verbindung ist übrigens Bicyclo[2.2.1]heptan. Ein Ring aus sechs C-Atomen wird dabei von einer zusätzlichen Methylen-Gruppe überbrückt.
Es gibt sehr viele solcher polycyclischen Verbindungen, auf die wir hier aber aus Platzgründen nicht weiter eingehen können.
Diese Wikipedia-Seite gibt Ihnen einen - allerdings recht knappen - Überblick über die Welt der Polycyclen oder polycyclischen Verbindungen.
5.4 Enantiomerie bei Cycloalkanen
Neben der cis-trans-Isomerie kann bei substituierten Cycloalkanen noch eine zweite Form der Stereoisomerie auftreten: die Enantiomerie. Zwei Enantiomere besitzen die gleiche Konstitution und auch die gleiche räumliche Anordnung der Atome. Sie unterscheiden sich lediglich dadurch, dass sie sich wie Bild und Spiegelbild verhalten und nicht zur Deckung gebracht werden können.
Die beiden Enantiomere des trans-1,2-Dimethylcyclopropans
Capaccio, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Ein einfaches Beispiel ist das trans-1,2-Dimethylyclopropan. Die beiden Methyl-Gruppen befinden sich auf verschiedenen Seiten der Ringebene. Dadurch entstehen zwei Moleküle, die sich wie rechte und linke Hand zueinander verhalten. Obwohl beide Moleküle chemisch nahezu identisch sind, lassen sie sich durch Drehen oder Wenden nicht zur Deckung bringen.
Die beiden Enantiomere besitzen fast alle physikalischen Eigenschaften gemeinsam, beispielsweise Schmelzpunkt (-149,6 ºC), Siedepunkt (28,2 ºC) und Dichte (0,66 g/cm3). Unterschiede zeigen sich erst beim Zusammenwirken mit anderen chiralen Molekülen oder bei der Drehung von polarisiertem Licht.
In biologischen Systemen können sich die beiden Enantiomere dagegen durchaus unterschiedlich verhalten, da alle Enzyme nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip arbeiten, und ein spiegelbildlicher Schlüssel passt nicht mehr in das Schloss.
Auf dieser Lexikonseite wird der Begriff Enantiomerie ausführlicher erklärt. Dort erfahren Sie auch, warum sich Enantiomere chemisch fast gleich verhalten und weshalb sie in biologischen Systemen dennoch sehr unterschiedliche Wirkungen haben können.
Quellen:
- Fox, M. A.; Whitesell, J. K.: Organische Chemie – Grundlagen, Mechanismen, bioorganische Anwendungen. 1. Auflage. Heidelberg: Springer, 1995.
- Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E.: Organische Chemie. 6. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH, 2020.
- Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.: Organische Chemie. Berlin: Springer, 2013.
- Morrison, R. T.; Boyd, R. N.; Bhattacharjee, S. K.: Organic Chemistry. 7. Auflage. Harlow: Pearson, 2011.
- Buddrus, J.; Schmidt, B.: Grundlagen der Organischen Chemie. 5. Auflage. Berlin: De Gruyter Verlag, 2014.
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