Conformations des cycloalcanes

Les stabilités relatives des cycloalcanes varient en fonction de la taille de leurs anneaux. Les variations résultent des effets combinés de la déformation angulaire et de la déformation en torsion, connues sous le nom de déformation annulaire des composés cycliques.

La déformation angulaire est introduite dans un cycloalcane lorsque l’angle de liaison C-C-C s’écarte de l’angle de liaison tétraédrique régulier de 109,5°, comme prévu pour tous les carbones hybridés sp³ des alcanes.

D’autre part, la déformation de torsion existe entre les liaisons à éclipses et est le résultat de forces de dispersion répulsives.

Dans le cyclopropane, l’angle interne de 60°, qui est nettement plus petit que l’angle idéal, introduit une déformation angulaire sévère dans la molécule, forçant les orbitales sp³ à se chevaucher à un angle pour donner des liaisons carbone-carbone « pliées » plus faibles.

Le cyclopropane, en raison de sa nature plane, subit également une contrainte de torsion considérable à partir des six paires de liaisons C-H entièrement éclipsées.

Essentiellement, le cyclopropane est une molécule fortement contrainte avec une énergie de déformation aussi élevée que 116 kJ/mol. Pour cette raison, les cyclopropanes sont très réactifs.

Contrairement au cyclopropane, le cyclobutane n’est pas plan et prend une conformation pliée. Le cyclobutane plié est plus stable que sa forme planaire hypothétique.

Bien que le pliage de la bague augmente légèrement la déformation d’angle, en abaissant l’angle de liaison de 90° à 88°, il réduit considérablement la déformation de torsion associée à huit liaisons C-H à éclipses, ce qui donne une énergie de déformation nette de 110 kJ/mol.

Comme le cyclobutane, le cyclopentane est également non planaire et prend une conformation d’enveloppe, avec un ou deux atomes qui se plient hors du plan.

Bien qu’un cyclopentane planaire hypothétique ait un angle de liaison de 108° - très proche de la valeur idéale, la conformation de l’enveloppe soulage considérablement la déformation en torsion de dix liaisons à éclipses avec seulement une légère augmentation de la déformation angulaire.

Par conséquent, la déformation globale du cycle du cyclopentane est aussi faible que 27 kJ/mol.