Teoria di Baeyer: stabilità dei cicloalcani

La teoria di Baeyer si riferisce alla stabilità relativa dei primi cicloalcani. In questi composti il carbonio ha ibridazione sp3 che prevede un angolo di legame di 109.5°
I cicloalcani, tuttavia, avendo struttura ciclica, presenterebbero angoli di legame molto diversi da quelli previsti dall’ibridazione del carbonio.

Secondo la teoria di Adolf von Baeyer detta anche teoria della tensione angolare la sovrapposizione ottimale degli orbitali atomici si ottiene per un angolo di legame di 109.5°

Stabilità dei cicloalcani

Secondo la teoria postulata nel 1885 la differenza tra l’angolo tetraedrico e quello del poligono con un certo numero di lati costituiva una misura della stabilità dei cicloalcani. La deviazione dall’angolo tetraedrico comporta una tensione con conseguente instabilità

In tabella sono riportati gli angoli interni di poligoni regolari a seconda del numero di lati

Lati del poligono Angolo interno
3 60
4 90
5 108
6 120
7 129
8 135
9 140
10 144

 

Dalla tabella si evince che il poligono a 5 lati che in chimica corrisponde al ciclopentano ha l’angolo più vicino a quello di 109.5°

Deduzioni

Secondo la teoria di Baeyer il ciclopentano è quindi il cicloalcano più stabile. Considerando gli angoli di un esagono regolare che sono di 120° Baeyern dedusse che il cicloesano fosse meno stabile.

Successivamente egli suggerì che i cicloalcani con un maggior numero di atomi di carbonio a partire dal cicloeptano avevano una tensione sempre maggiore a pertanto sempre meno stabili

Realtà sperimentale

Tuttavia, si trovò che molte delle ipotesi, non corrispondevano alla realtà.

Il calore di combustione fornisce informazioni utili per valutare la stabilità dei composti. Esso aumenta all’aumentare del numero di atomi di carbonio presenti in una molecola ed è pari a 157.4 kcal/mol per ogni -CH2-. Per i cicloalcani, costituiti da soli gruppi -CH2-, se non avessero alcun tipo di tensione di anello, il calore di combustione si otterrebbe dal prodotto tra il numero di gruppi -CH2– e 157.4.

Si riportano in tabella i valori dei calori di combustione per ogni gruppo -CH2– presente:

dimensioni dell’anello calore di combustione per ogni gruppo -CH2– (kcal/mol)
3 166.6
4 164.0
5 158.7
6 157.4
7 158.3
8 158.6
9 158.8
10 157.4

 

Come si può evincere dalla tabella il cicloalcano più stabile è il cicloesano e quelli a maggior numero di atomi di carbonio si discostano di poco contrariamente all’ipotesi di Baeyern.

Inoltre la teoria di Baeyer è confermata solo dal ciclopropano, dal ciclobutano e dal ciclopentano.

Limiti

Le motivazioni per le quali la teoria non è rispondente alla maggior parte dei cicloalcani è dovuta al fatto che essa ipotizza la loro planarità.

Tuttavia, ad eccezione del ciclopropano, tutti i cicloalcani non sono planari ma adottano delle conformazioni tali che gli angoli di legame si avvicinino a quello tetraedrico
Le stabilità dei cicloalcani sono quindi influenzate dalla tensione angolare, torsionale e sterica

 

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