3.9: Sikloalkanların Konformasyonları

Adolf von Baeyer, küçük ve büyük sikloalkan halkalarının kararsızlıklarını açı gerilimi kavramını kullanarak açıklamaya çalıştı; bu, sp³ hibritlenmiş karbonlar için bağ açılarının ideal 109,5° tetrahedral değerinden sapmasının neden olduğu gerilimdir. Bununla birlikte siklopropan ve siklobütan, yüksek derecede sıkıştırılmış bağ açılarından beklendiği gibi gerilirken, siklopentan tahmin edilenden daha fazla gerilir ve sikloheksan neredeyse hiç gerilmez. Dolayısıyla Baeyer'in tüm sikloalkanların düz olduğu varsayımına dayanan teorisi yanlış olup ve gerçekte sikloalkanların çoğu düzlemsel olmayan bir yapı benimsemektedir.

Üç karbonlu siklik alkan olan siklopropan, düzlemsel yapısı oldukça sıkıştırıldığından ve ideal değerden 49,5° saptığından en yüksek açı gerilimine sahiptir. Ek olarak siklopropan, altı C-H bağı arasındaki gölgeleyici etkileşim nedeniyle burulma gerilimine sahiptir. Dolayısıyla siklopropanın genel halka gerilimi 116 kJ/mol'dür. Düzlemsel olan siklopropanın aksine, siklobutan daha kararlı, katlanmış, düzlemsel olmayan bir yapıya sahiptir. Katlanma, açı geriliminin varsayımsal düzlemsel siklobütanla karşılaştırıldığında biraz artmasına neden olur, ancak on tane gölgeleyici hidrojenden kaynaklanan burulma gerilimi büyük ölçüde hafifletilir. Siklobütanın genel gerilimi 110 kJ/mol'dür. Siklopentan ayrıca zarf konformasyonu olarak bilinen düzlemsel olmayan bir konformasyonu da benimser. Siklopentanın varsayımsal düzlemsel formuyla karşılaştırıldığında, zarf formunun bağ açıları biraz azaltılmıştır, bu da açı gerilimini marjinal olarak artırır. Bununla birlikte, on tane gölgeleyici C-H bağından kaynaklanan burulma gerilimini önemli ölçüde azaltır. Dolayısıyla siklopentandaki genel gerilim 27 kJ/mol'dür.

Sikloalkanların nispi stabiliteleri, halka boyutlarına göre değişir. Varyasyonlar, birlikte döngüsel bileşiklerin halka gerinimleri olarak bilinen açı gerinim ve burulma geriniminin birleşik etkilerinden kaynaklanır.

Açı gerilimi, CCC bağ açısı, alkanların tüm sp³ hibritleştirilmiş karbonları için tahmin edildiği gibi, 109.5°'lik normal tetrahedral bağ açısından saptığında bir sikloalkanda ortaya çıkar.

Öte yandan, örten bağlar arasında burulma gerilimi bulunur ve itici dağılma kuvvetlerinin bir sonucudur.

Siklopropanda, ideal açıdan önemli ölçüde daha küçük olan 60°'lik iç açı, molekülde ciddi bir açı gerilimine neden olur ve sp³ orbitallerini daha zayıf "bükülmüş" karbon-karbon bağları verecek şekilde bir açıyla üst üste binmeye zorlar.

Siklopropan, düzlemsel doğası nedeniyle, altı çift tamamen tutulmuş CH bağından önemli ölçüde burulma gerilimi yaşar.

Özünde, siklopropan, 116 kJ/mol kadar yüksek gerinim enerjisine sahip oldukça gergin bir moleküldür. Bu nedenle siklopropanlar oldukça reaktiftir.

Siklopropanın aksine, siklobütan düzlemsel değildir ve katlanmış bir konformasyon alır. Katlanmış siklobütan, varsayımsal düzlemsel formundan daha kararlıdır.

Halkanın katlanması açı gerinmesini biraz artırsa da, bağ açısını 90°'den 88°'ye düşürerek, sekiz örten CH bağı ile ilişkili burulma gerinimini önemli ölçüde azaltır ve 110 kJ/mol'lük net gerinim enerjisi ile sonuçlanır.

Siklobütan gibi, siklopentan da düzlemsel değildir ve bir veya iki atomun düzlemden büküldüğü bir zarf konformasyonu varsayar.

Varsayımsal bir düzlemsel siklopentan 108°'lik bir bağ açısına sahip olsa da - ideal değere çok yakın, zarf konformasyonu, açı geriniminde sadece hafif bir artışla on örten bağdan gelen burulma gerilimini büyük ölçüde azaltır.

Bu nedenle, siklopentandaki toplam halka gerilimi 27 kJ/mol kadar düşüktür.