3.9 : Konformationen von Cycloalkanen

Adolf von Baeyer versuchte, die Instabilitäten kleiner und großer Cycloalkanringe mit dem Konzept der Winkelspannung zu erklären – der Spannung, die durch die Abweichung der Bindungswinkel vom idealen tetraedrischen Wert von 109,5° für sp³-hybridisierte Kohlenstoffe verursacht wird. Während jedoch Cyclopropan und Cyclobutan gespannt sind, wie aufgrund ihrer stark komprimierten Bindungswinkel zu erwarten ist, ist Cyclopentan stärker gespannt als vorhergesagt und Cyclohexan ist praktisch spannungsfrei. Daher war Baeyers Theorie, die auf der Annahme beruhte, dass alle Cycloalkane flach seien, falsch, und in Wirklichkeit nehmen die meisten Cycloalkane eine nichtplanare Struktur an.

Cyclopropan, das zyklische Alkan mit drei Kohlenstoffatomen, weist die höchste Winkelspannung auf, da seine planare Struktur stark komprimiert ist und um 49,5° vom Idealwert abweicht. Darüber hinaus weist Cyclopropan aufgrund der verfinsternden Wechselwirkung zwischen sechs C-H-Bindungen eine Torsionsspannung auf. Daher hat Cyclopropan eine Gesamtringspannung von 116 kJ/mol. Im Gegensatz zu Cyclopropan, das planar ist, nimmt Cyclobutan eine stabilere, gefaltete, nichtplanare Konformation ein. Durch die Faltung wird die Winkelspannung im Vergleich zum hypothetischen planaren Cyclobutan leicht erhöht, die Torsionsspannung durch die zehn eklipsierenden Wasserstoffatome wird jedoch stark verringert. Cyclobutan hat eine Gesamtspannung von 110 kJ/mol. Cyclopentan nimmt auch eine nichtplanare Konformation ein, die als Umschlagkonformation bezeichnet wird. Verglichen mit der hypothetischen planaren Form von Cyclopentan sind die Bindungswinkel der Umschlagform leicht reduziert, was die Winkelspannung geringfügig erhöht. Allerdings wird dadurch die Torsionsbelastung durch zehn in den Hintergrund tretende C-H-Bindungen erheblich gemildert. Daher beträgt die Gesamtspannung in Cyclopentan 27 kJ/mol.