3.9: Conformações dos cicloalcanos

Adolf von Baeyer tentou explicar as instabilidades dos anéis de cicloalcanos pequenos e grandes usando o conceito de tensão angular - a tensão causada pelo desvio dos ângulos de ligação do valor tetraédrico ideal de 109,5° para carbonos hibridizados sp³. No entanto, enquanto o ciclopropano e o ciclobutano são tensionados, como esperado devido aos seus ângulos de ligação altamente comprimidos, o ciclopentano é mais tensionado do que o previsto e o ciclohexano é virtualmente livre de tensão. Portanto, a teoria de Baeyer, baseada na suposição de que todos os cicloalcanos são planos, estava errada e, na realidade, a maioria dos cicloalcanos adota uma estrutura não plana.

O ciclopropano, o alcano cíclico de três carbonos, apresenta a maior tensão angular, pois sua estrutura plana é altamente comprimida, desviando-se 49,5° do valor ideal. Além disso, o ciclopropano tem uma tensão torsional devido à interação eclipsante entre seis ligações C-H. Assim, o ciclopropano tem uma tensão total do anel de 116 kJ/mol. Ao contrário do ciclopropano, que é plano, o ciclobutano assume uma conformação não plana dobrada e mais estável. O dobramento eleva ligeiramente a tensão angular em comparação com o ciclobutano hipoteticamente plano, mas alivia consideravelmente a tensão torsional dos dez hidrogênios eclipsantes. O ciclobutano tem uma tensão total de 110 kJ/mol. O ciclopentano também adota uma conformação não plana conhecida como conformação de envelope. Em comparação com a forma plana hipotética do ciclopentano, a forma em envelope tem seus ângulos de ligação ligeiramente reduzidos, o que aumenta marginalmente a tensão angular. No entanto, alivia significativamente a tensão torsional de dez ligações C-H eclipsantes. Portanto, a tensão total do ciclopentano é de 27 kJ/mol.

As estabilidades relativas dos cicloalcanos variam com o tamanho dos anéis. As variações surgem dos efeitos combinados da deformação angular e da deformação torcional, juntos conhecidos como deformação do anel de compostos cíclicos.

A deformação angular é introduzida em um cicloalcano quando o ângulo de ligação CC se desvia do ângulo de ligação tetraédrico regular de 109,5 °, conforme previsto para todos os carbonos hibridizados sp³ de alcanos.

Por outro lado, a deformação de torção existe entre as ligações eclipsantes e é resultado de forças de dispersão repulsivas.

No ciclopropano, o ângulo interno de 60 °, que é significativamente menor que o ângulo ideal, introduz uma tensão angular severa na molécula, forçando os orbitais sp³ a se sobreporem em um ângulo para dar ligações carbono-carbono "dobradas" mais fracas.

O ciclopropano, devido à sua natureza planar, também sofre considerável tensão de torção dos seis pares de ligações CH totalmente eclipsadas.

Em essência, o ciclopropano é uma molécula altamente tensa com energia de deformação de até 116 kJ/mol. Por esse motivo, os ciclopropanos são altamente reativos.

Ao contrário do ciclopropano, o ciclobutano não é planar e assume uma conformação dobrada. O ciclobutano dobrado é mais estável do que sua forma planar hipotética.

Embora o dobramento do anel aumente ligeiramente a deformação angular, diminuindo o ângulo de ligação de 90 ° para 88 °, reduz substancialmente a deformação de torção associada a oito ligações CH eclipsantes, resultando na energia de deformação líquida de 110 kJ / mol.

Como o ciclobutano, o ciclopentano também é não planar e assume uma conformação de envelope, com um ou dois átomos dobrando-se para fora do plano.

Embora um ciclopentano planar hipotético tenha um ângulo de ligação de 108 ° - muito próximo do valor ideal, a conformação do envelope alivia muito a deformação de torção de dez ligações eclipsantes com apenas um ligeiro aumento na deformação do ângulo.

Portanto, a tensão geral do anel no ciclopentano é tão baixa quanto 27 kJ / mol.