6. Herstellung

6.1 Hauptmethoden zur Synthese von Cycloalkanen

Hier zunächst eine kleine Übersicht über die wichtigsten Methoden zur Synthese von Cycloalkanen. Einige Cycloalkane können auch direkt oder indirekt aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden; darauf gehen wir im nächsten Abschnitt ein.

Hydrierung von Aromaten

Cycloalkane werden hauptsächlich durch katalytische Hydrierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol, Toluol etc. hergestellt. Aus Benzol kann man so beispielsweise Cyclohexan gewinnen.

Cyclisierung von Alkanen

Alkane wie n-Heptan können in Gegenwart geeigneter Katalysatoren zu Cycloalkanen umgewandelt werden.

Cyclisierung von Dihalogenalkanen

Längere Dihalogenalkane, die am ersten und am letzten C-Atom mit einem Halogenatom substituiert sind, können mit Natrium oder Zink zu Cycloalkanen cyclisiert werden. Aus 1,4-Dichlorbutan kann so beispielsweise Cyclobutan hergestellt werden.

Pyrolyse von Dicarbonsäuresalzen

Beim Erhitzen von Barium- oder Calciumsalzen von Dicarbonsäuren entstehen zunächst cyclische Ketone, die anschließend zu Cycloalkanen reduziert werden können.

Weitere Methoden

Es gibt viele weitere Methoden zur Herstellung von Cycloalkanen, auf die wir hier aber aus Platzgründen nicht eingehen können. Außerdem sollen Sie diese Seiten auf das erste und zweite Semester des Chemie-, Biologie- oder Medizinstudiums vorbereiten und nicht auf vertiefende Lehrveranstaltungen der Organischen Chemie.

6.2 Gewinnung von Cycloalkanen aus Erdöl

Einige Cycloalkane kommen im Erdöl vor, vor allem Cyclopentan, Cyclohexan und ihre Alkyl-Derivate.

Bei der Fraktionierung von Erdöl werden die Kohlenwasserstoffe nach ihrer Siedetemperatur getrennt, das wissen Sie aber bereits aus dem Chemieunterricht. Cycloalkane finden sich dabei vor allem in den leichten und mittleren Fraktionen.

Da der Bedarf an Cycloalkanen größer ist als ihr natürliches Vorkommen im Erdöl, werden viele Cycloalkane durch katalytische Hydrierung von Cycloalkenen und Aromaten hergestellt, die ebenfalls im Erdöl vorkommen. So kann man Cyclohexan, eine vor allem von der Kunststoffindustrie stark nachgefragte Verbindung, beispielsweise aus Benzol gewinnen.

6.3 Herstellung durch Hydrierung ungesättigter Verbindungen

Hydrierung von Cycloalkenen

Cycloalkene wie Cyclohexen entstehen häufig beim Cracken von Erdöl und stehen daher in großen Mengen zur Verfügung.

Diese Cycloalkene verhalten sich ähnlich wie nichtzyklische Alkene und können daher leicht mit Wasserstoff hydriert werden. Aus Cyclohexen kann man so beispielsweise Cyclohexan herstellen. Diese Reaktion verläuft nur in Gegenwart eines Metallkatalysators, meistens Nickel, Palladium oder Platin. Ähnlich wie bei der Hydrierung nichtzyklischer Alkene verläuft die Reaktion stereospezifisch, weil beide H-Atome von derselben Seite an die C=C-Doppelbindung addiert werden (syn-Addition).

Hydrierung von aromatischen Verbindungen

Auch Aromaten wie Benzol können hydriert werden und eignen sich so zur Synthese von Cycloalkanen. Allerdings ist Benzol kein Cycloalken mit drei Doppelbindungen, sondern eine aromatische Verbindung. Soll Benzol in Cyclohexan umgewandelt werden, muss der energetisch günstige aromatische Charakter aufgehoben werden. Daher ist die Hydrierung von Benzol wesentlich aufwendiger als die Hydrierung von Cyclohexen oder Cyclohexadien. Trotzdem wird Benzol im industriellen Maßstab zu Cyclohexan hydriert.

Die Hydrierung von Aromaten wie Benzol läuft nur bei erhöhten Temperaturen und Drücken sowie in Gegenwart von Metallkatalysatoren wie Nickel, Platin oder Palladium ab.

Energetisch betrachtet ist eine solche Hydrierung zwar stark exotherm, die Aktivierungsenergie ist wegen der hohen Stabilität des aromatischen Systems jedoch sehr groß. Daher reagieren Aromaten deutlich langsamer als Cycloalkene.

Die Hydrierung von Benzol zu Cyclohexan ist einer der wichtigsten technischen Prozesse zur Herstellung von Cycloalkanen. Cyclohexan ist ein wichtiger Ausgangsstoff für organische Synthesen (zum Beispiel zur Herstellung von Nylon) sowie ein wichtiges Lösungsmittel.

6.4 Ringschlussreaktionen

Moleküle mit zwei reaktiven Enden können relativ leicht zu einem Ring zusammengeschlossen werden. Solche Ringschlussreaktionen eignen sich daher gut zur Synthese bestimmter Cycloalkane. Am Beispiel der Synthese von Cyclobutan und Cyclohexan wollen wir einige dieser Reaktionen besprechen, ohne dabei zu sehr in die Details zu gehen. Sie sollen hier auf das Grundstudium der Chemie vorbereitet werden und nicht auf weiterführende Lehrveranstaltungen oder ein Masterstudium.

Wurtz-Synthese

Synthese von Cyclobutan aus 1,4-Dibrombutan
Autor: Ulrich Helmich 02/2026, Lizenz: Public domain

Cyclobutan kann beispielsweise aus 1,4-Dibrombutan hergestellt werden. Dazu setzt man diese Verbindung einem stark reduzierenden Metall wie Natrium aus. Dabei entsteht eine neue C-C-Einfachbindung zwischen dem ersten und dem vierten C-Atom, während Natrium mit Brom zu Natriumbromid reagiert.

Die Synthese von Cyclobutan aus 1,4-Dichlorbutan ist deutlich schwieriger, da Brom eine bessere Abgangsgruppe ist als Chlor. Mit 1,4-Diiodbutan würde die Reaktion zwar noch besser ablaufen, jedoch sprechen wirtschaftliche Gründe gegen eine solche Synthese im industriellen Maßstab, da Iodverbindungen in der Regel deutlich teurer sind als Bromverbindungen.

Statt Natrium können für solche Zyklisierungen auch Lithium oder metallorganische Reagenzien auf Basis von Magnesium eingesetzt werden. Natrium reagiert häufig sehr heftig und fördert dadurch unerwünschte Nebenreaktionen, beispielsweise die Bildung längerer Kohlenstoffketten anstelle kleiner Ringe.

Bildung von Cyclohexan

Bildung von Cyclohexan durch Wurtz-Reaktion
Autor: Ulrich Helmich 1/2023, Lizenz: Public domain

Auf diesem Bild sieht man, dass auch Cyclohexan durch eine intramolekulare Wurtz-Reaktion aus 1,6-Dibromhexan hergestellt werden kann.

Im Vergleich zur Synthese von Cyclobutan verläuft diese Reaktion meist günstiger, da sechsgliedrige Ringe nur eine sehr geringe Ringspannung besitzen. Dennoch konkurriert der Ringschluss auch hier mit der Bildung längerer Kohlenstoffketten, sodass geeignete Reaktionsbedingungen gewählt werden müssen.

Cycloadditionen

Eine weitere Möglichkeit zur Synthese von Cyclobutan ist die photochemische [2+2]-Cycloaddition. Dabei werden zwei Moleküle Ethen mit UV-Licht bestrahlt. Die π-Bindungen der beiden C=C-Doppelbindungen werden dabei aufgehoben, und es entstehen zwei neue C-C-Einfachbindungen, sodass sich ein viergliedriger Ring bildet.

Synthese von Cyclobutan aus zwei Ethen-Molekülen
Autor: Ulrich Helmich 02/2026, Lizenz: Public domain

Dieses Bild zeigt diese Reaktion etwas genauer. Zunächst entsteht zwischen den beiden Ethen-Molekülen eine neue C-C-Einfachbindung (rot dargestellt). Anschließend bildet sich durch einen zweiten Bindungsschluss der viergliedrige Ring.

6.5 Faktoren, die einen Einfluss auf den Ringschluss haben

Ringschluss vs. Kettenverlängerung

Bei Molekülen mit zwei reaktiven Enden konkurrieren häufig zwei verschiedene Reaktionen miteinander. Treffen die beiden Enden desselben Moleküls aufeinander, entsteht ein Ring. Reagieren die Enden dagegen mit anderen Molekülen, bilden sich längere Ketten oder sogar Polymere. Welche Reaktion überwiegt, hängt unter anderem von der Konzentration der Edukte und den Reaktionsbedingungen ab.

Warum kleine und mittlere Ringe bevorzugt entstehen

Die Bildung kleiner und mittlerer Ringe ist meist wahrscheinlicher als die Bildung sehr großer Ringe. Die beiden reaktiven Enden eines Moleküls können sich hier leichter begegnen, bevor sie mit anderen Molekülen reagieren. Besonders fünf- und sechsgliedrige Ringe entstehen deshalb häufig in guten Ausbeuten.

Einfluss der Ringgröße

Kleine Ringe: energetisch ungünstig:

Drei- und viergliedrige Ringe besitzen eine hohe Ringspannung, da die Bindungswinkel deutlich vom idealen Tetraederwinkel von 109,5° abweichen. Solche Verbindungen lassen sich zwar herstellen, ihre Synthese ist jedoch häufig schwieriger und die Produkte sind meist reaktiver als größere Cycloalkane.

Fünf- und Sechsringe: besonders stabil

Fünf- und sechsgliedrige Ringe besitzen nur eine geringe Ringspannung und gehören daher zu den stabilsten Cycloalkanen. Sie entstehen bei vielen Ringschlussreaktionen bevorzugt und spielen sowohl in der Natur als auch in der technischen Chemie eine wichtige Rolle.

Größere Ringe: zunehmende Schwierigkeiten

Die Synthese größerer Ringe ist oft schwieriger, weil sich die beiden Enden eines langen Moleküls nur selten in der richtigen räumlichen Anordnung begegnen. Statt eines Rings entstehen daher häufig lange lineare Produkte. Für die Herstellung großer Ringe werden deshalb oft spezielle Synthesestrategien eingesetzt.