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Strukturen der Cycloalkane

Cycloalkane: Ringspannung

Bei der Beobachtung der Verbrennungsenthalpien der Cycloalkane stellt man einen teils deutlichen Unterschied zwischen den berechneten und den gemessenen Werten fest. Dieser Unterschied weist auf die Ringspannung hin, die besonders in den kleineren Cycloalkanen vorliegt. Die Verbrennungsenthalpie-Werte in der homologen Reihe der Alkane nehmen regelmäßig um den Mittelwert -659 kJmol-1 pro zusätzlicher CH2-Gruppe zu. Die Verbrennungsenthalpie der Cycloalkane sollte näherungsweise im gleichen Bereich liegen. Betrachtet man jedoch die gemessenen Werte, stellt man fest, dass die Werte größer sind.

Tab.1
Ringspannung
Ringgröße (Cn) ΔH° (Verbr.) berechnet [ kJmol-1 ] ΔH° (Verbr.) gemessen [ kJmol-1 ]gesamte Ringspannung [ kJmol-1 ]Spannung pro CH2Gruppe [ kJmol-1 ]
3-1977,1 -2092,7 115,6 38,5
4-2636,1 -2746,1 101,1 27,5
5-3295,2 -3322,4 27,2 5,4
6-3954,0 -3954,4 0,4 ~0
7-4613,2 -4640,0 26,8 3,8
8-5272,3 -5314,1 41,8 5,2
9-5931,3 -5985,3 54,0 6,1
10-6590,3 -6640,6 50,3 5,0
11-7249,4 -7295,4 46,0 4,2
12-7908,4 -7918,4 10,0 0,8
14-9226,5 -9226,5 0,0 0,0

Der Unterschied beim Cyclobutan beträgt z.B. 101,1 kJmol-1 und kommt durch die im Molekül vorliegende Ringspannung zustande. Fast spannungsfrei sind das Cyclohexan und die größeren Ringe ab 13 C-Atome. Aufgrund dieser Beobachtungen wurden die Cycloalkane grob in vier Gruppen eingeteilt:

  • kleine Ringe (Cyclopropan, Cyclobutan)
  • normale Ringe (Cyclopentan, Cyclohexan, Cycloheptan)
  • mittlere Ringe (Cyclooctan bis Cyclododecan)
  • große Ringe (Cyclotridecan oder größer)

Bei den mittleren Ringen tritt eine im Vergleich zum Cyclohexan größere Ringspannung auf. Dies liegt an Konformationen, in denen verstärkt Wasserstoff-Wasserstoff-Abstoßung vorkommt.

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