3.9: Configuraciones de los cicloalcanos

Adolf von Baeyer intentó explicar las inestabilidades de los anillos de cicloalcanos grandes y pequeños utilizando el concepto de deformación angular: la deformación causada por la desviación de los ángulos de enlace del valor tetraédrico ideal de 109,5° para los carbonos con hibridación sp³. Sin embargo, mientras que el ciclopropano y el ciclobutano están tensos, como se esperaba por sus ángulos de unión altamente comprimidos, el ciclopentano está más tenso de lo previsto y el ciclohexano prácticamente no está tenso. Por tanto, la teoría de Baeyer, que se basaba en el supuesto de que todos los cicloalcanos son planos, era errónea y, en realidad, la mayoría de los cicloalcanos adoptan una estructura no plana.

El ciclopropano, el alcano cíclico de tres carbonos, tiene la deformación angular más alta ya que su estructura plana está muy comprimida, desviándose 49,5° del valor ideal. Además, el ciclopropano tiene una tensión torsional debido a la interacción eclipsante entre seis enlaces C-H. Por tanto, el ciclopropano tiene una deformación anular total de 116 kJ/mol. A diferencia del ciclopropano, que es plano, el ciclobutano adopta una conformación no plana, plegada y más estable. El plegado hace que la tensión angular sea ligeramente elevada en comparación con el hipotético ciclobutano plano, pero la tensión torsional de los diez hidrógenos eclipsantes se alivia enormemente. El ciclobutano tiene una tensión total de 110 kJ/mol. El ciclopentano también adopta una conformación no plana conocida como conformación de la envoltura. En comparación con la hipotética forma plana del ciclopentano, la forma envolvente tiene sus ángulos de enlace ligeramente reducidos, lo que aumenta marginalmente la deformación angular. Sin embargo, alivia significativamente la tensión de torsión de diez enlaces C-H eclipsantes. Por tanto, la tensión total del ciclopentano es de 27 kJ/mol.

Las estabilidades relativas de los cicloalcanos varían con el tamaño de sus anillos. Las variaciones surgen de los efectos combinados de la deformación del ángulo y la deformación torsional, conocidas conjuntamente como la deformación del anillo de los compuestos cíclicos.

La deformación del ángulo se introduce en un cicloalcano cuando el ángulo de enlace C-C-C se desvía del ángulo de enlace tetraédrico regular de 109,5°, como se predice para todos los carbonos hibridados sp³ de alcanos.

Por otro lado, la tensión torsional existe entre los enlaces eclipsantes y es el resultado de fuerzas de dispersión repulsivas.

En el ciclopropano, el ángulo interno de 60°, que es significativamente más pequeño que el ángulo ideal, introduce una tensión de ángulo severa en la molécula, lo que obliga a los orbitales sp³ a superponerse en un ángulo para dar enlaces carbono-carbono "doblados" más débiles.

El ciclopropano, debido a su naturaleza plana, también experimenta una considerable tensión torsional de los seis pares de enlaces C-H completamente eclipsados.

En esencia, el ciclopropano es una molécula altamente tensada con una energía de deformación de hasta 116 kJ/mol. Por esta razón, los ciclopropanos son altamente reactivos.

A diferencia del ciclopropano, el ciclobutano no es planar y adopta una conformación plegada. El ciclobutano plegado es más estable que su hipotética forma plana.

Aunque el plegamiento del anillo aumenta ligeramente la deformación del ángulo, al reducir el ángulo de enlace de 90° a 88°, reduce sustancialmente la deformación torsional asociada con ocho enlaces C-H eclipsantes, lo que da como resultado una energía de deformación neta de 110 kJ/mol.

Al igual que el ciclobutano, el ciclopentano tampoco es planar y asume una conformación de envoltura, con uno o dos átomos que se desvían del plano.

Aunque un hipotético ciclopentano plano tendría un ángulo de enlace de 108°, muy cerca del valor ideal, la conformación de la envoltura alivia en gran medida la tensión torsional de diez enlaces eclipsantes con solo un ligero aumento en la tensión del ángulo.

Por lo tanto, la deformación total del anillo en el ciclopentano es tan baja como 27 kJ/mol.