3.9: Conformazioni dei Cicloalcani

Adolf von Baeyer ha tentato di spiegare le instabilità degli anelli cicloalcani piccoli e grandi utilizzando il concetto di deformazione angolare, la deformazione causata dalla deviazione degli angoli di legame dal valore tetraedrico ideale di 109,5° per i carboni ibridati sp³. Tuttavia, mentre il ciclopropano e il ciclobutano si deformano, come previsto dai loro angoli di legame altamente compressi, il ciclopentano si deforma più del previsto e il cicloesano è praticamente privo di deformazione. Pertanto, la teoria di Baeyer, basata sul presupposto che tutti i cicloalcani siano piatti, era sbagliata e, in realtà, la maggior parte dei cicloalcani adotta una struttura non planare.

Il ciclopropano, l'alcano ciclico a tre atomi di carbonio, ha la deformazione angolare più elevata poiché la sua struttura planare è altamente compressa, deviando di 49,5° dal valore ideale. Inoltre, il ciclopropano ha una tensione torsionale dovuta all'interazione eclissante tra sei legami C-H. Pertanto, il ciclopropano ha una tensione anulare complessiva di 116 kJ/mol. A differenza del ciclopropano, che è planare, il ciclobutano assume una conformazione piegata e non planare più stabile. Il ripiegamento fa sì che la deformazione angolare sia leggermente elevata rispetto all'ipotetico ciclobutano planare, ma la tensione torsionale dei dieci idrogeni eclissanti è notevolmente alleviata. Il ciclobutano ha una tensione complessiva di 110 kJ/mol. Il ciclopentano adotta anche una conformazione non planare nota come conformazione a busta. Rispetto all'ipotetica forma planare del ciclopentano, la forma a busta ha i suoi angoli di legame leggermente ridotti, il che aumenta marginalmente la deformazione angolare. Tuttavia, allevia significativamente la tensione torsionale derivante da dieci legami C-H eclissanti. Quindi, la deformazione complessiva del ciclopentano è di 27 kJ/mol.

La stabilità relativa dei cicloalcani varia con le dimensioni dei loro anelli. Le variazioni derivano dagli effetti combinati della deformazione angolare e della deformazione torsionale, noti insieme come deformazione ad anello dei composti ciclici.

La deformazione angolare viene introdotta in un cicloalcano quando l'angolo di legame C-C-C devia dall'angolo di legame tetraedrico regolare di 109,5°, come previsto per tutti i carboni ibridati sp³ degli alcani.

D'altra parte, la deformazione torsionale esiste tra i legami eclissanti ed è il risultato di forze di dispersione repulsive.

Nel ciclopropano, l'angolo interno di 60°, che è significativamente più piccolo dell'angolo ideale, introduce una forte deformazione angolare nella molecola, costringendo gli orbitali sp³ a sovrapporsi ad angolo per dare legami carbonio-carbonio "piegati" più deboli.

Il ciclopropano, a causa della sua natura planare, subisce anche una notevole deformazione torsionale dalle sei coppie di legami C-H completamente eclissati.

In sostanza, il ciclopropano è una molecola altamente sollecitata con un'energia di deformazione fino a 116 kJ/mol. Per questo motivo, i ciclopropani sono altamente reattivi.

A differenza del ciclopropano, il ciclobutano non è planare e assume una conformazione ripiegata. Il ciclobutano piegato è più stabile della sua ipotetica forma planare.

Sebbene la piegatura dell'anello aumenti leggermente la deformazione angolare, abbassando l'angolo di legame da 90° a 88°, riduce sostanzialmente la deformazione torsionale associata a otto legami C-H a eclisse, con conseguente energia di deformazione netta di 110 kJ/mol.

Come il ciclobutano, anche il ciclopentano non è planare e assume una conformazione a inviluppo, con uno o due atomi che si piegano fuori dal piano.

Sebbene un ipotetico ciclopentano planare avrebbe un angolo di legame di 108°, molto vicino al valore ideale, la conformazione dell'inviluppo allevia notevolmente la deformazione torsionale da dieci legami a eclisse con solo un leggero aumento della deformazione angolare.

Pertanto, la deformazione complessiva dell'anello nel ciclopentano è di soli 27 kJ/mol.