3.9
Die relative Stabilität von Cycloalkanen variiert mit ihren Ringgrößen. Die Variationen ergeben sich aus den kombinierten Effekten von Winkeldehnung und Torsionsdehnung, die zusammen als Ringdehnung zyklischer Verbindungen bekannt sind.
Die Winkeldehnung wird in einem Cycloalkan eingeführt, wenn der C-C-C-Bindungswinkel vom regulären tetraedrischen Bindungswinkel von 109,5° abweicht, wie für alle sp3-hybridisierten Kohlenstoffe von Alkanen vorhergesagt.
Andererseits besteht die Torsionsdehnung zwischen den Bedeckungsveränderungen und ist das Ergebnis abstoßender Dispersionskräfte.
In Cyclopropan führt der Innenwinkel von 60°, der deutlich kleiner als der ideale Winkel ist, zu einer starken Winkeldehnung im Molekül und zwingt die sp3-Orbitale, sich in einem Winkel zu überlappen, um schwächere "gebogene" Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu erhalten.
Cyclopropan erfährt aufgrund seiner planaren Natur auch eine beträchtliche Torsionsdehnung durch die sechs Paare vollständig verblendeter C-H-Bindungen.
Im Wesentlichen ist Cyclopropan ein stark gespanntes Molekül mit einer Dehnungsenergie von bis zu 116 kJ/mol. Aus diesem Grund sind Cyclopropane hochreaktiv.
Im Gegensatz zu Cyclopropan ist Cyclobutan nicht planar und nimmt eine gefaltete Konformation an. Gefaltetes Cyclobutan ist stabiler als seine hypothetische planare Form.
Obwohl die Faltung des Rings die Winkeldehnung leicht erhöht, reduziert sie durch Absenkung des Bindungswinkels von 90° auf 88° die Torsionsdehnung, die mit acht bedeckenden C-H-Bindungen verbunden ist, erheblich, was zu einer Nettodehnungsenergie von 110 kJ/mol führt.
Wie Cyclobutan ist auch Cyclopentan nicht-planar und nimmt eine Hüllkonformation an, bei der sich ein oder zwei Atome aus der Ebene herausbiegen.
Obwohl ein hypothetisches planares Cyclopentan einen Bindungswinkel von 108° hätte – sehr nahe am Idealwert – entlastet die Hüllkurvenkonformation die Torsionsdehnung von zehn bedeckungsveränderlichen Bindungen mit nur einem geringen Anstieg der Winkeldehnung erheblich.
Daher beträgt die Gesamtringdehnung in Cyclopentan nur 27 kJ/mol.
Adolf von Baeyer versuchte, die Instabilitäten kleiner und großer Cycloalkanringe mit dem Konzept der Winkelspannung zu erklären – der Spannung, die d…
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