Cicloalcanos

As estabilidades relativas dos cicloalcanos: Tensão de anel

Os cicloalcanos não tem todas a mesma estabilidade relativa. Os calores de combustão mostram que o cicloexano é o mais estável dos cicloalcanos e que o ciclopropano e o ciclobutano são muito menos estáveis. A instabilidade relativa do ciclopropano e do ciclobutano é consequência direta das suas estruturas cíclicas e por esta razão se diz que as suas moléculas possuem uma tensão no anel. Afim de ver como é possível demonstrar experimentalmente a existência dessa tensão, precisamos examinar os calores de combustão relativos dos cicloalcanos. Calor de combustão de um composto é a variação de entalpia na oxidação completa do composto, mas para os hidrocarbonetos isômeros, a combustão completa de 1 mol de cada um deles exigirá a mesma a mesma quantidade de oxigênio e formará o mesmo número de moles de dióxido de carbono e água e devido a isso usa-se os calores de combustão para medir as estabilidades relativas dos isômeros. Um exemplo é a combustão do butano e a do isobutano, no qual o butano desprende na combustão mais calor que o isobutano, assim o mesmo deve conter relativamente mais energia potencial. O isobutano, portanto, deve ser mais estável. A Fig. 1 ilustra esta comparação.

Fig. 1 Calores de combustão mostram que o isobutano é mais estável do que o butano, por 9 KJ/mol. (Fonte: SOLOMONS,1996).

Calores de Combustão dos cicloalcanos

Os ciclo alcanos constituem uma serie homóloga. Então, a equação geral para a combustão de um cicloalcano pode ser formulada como segue:

(CH2)n + 3/2 n O2 n CO2 + n H2O + calor

Uma vez que os cicloalcanos não são isômeros, os respectivos calores de combustão não podem ser comparadas diretamente. Podemos, porém, calcular a quantidade de calor desprendida por grupo CH2. Na figura 2, aparecem os resultados destes cálculos.

Fig. 2 Calores de combustão e tensão de anel dos cicloalcanos. (Fonte: SOLOMONS,1996).

O cicloexano tem calor de combustão mais baixo por grupo CH2. Esta quantidade não difere da correspondente aos alcanos não ramificados, portanto podemos admitir que o cicloexano não tem tensão de anel e que pode servir de padrão para comparação dos outros cicloalcanos.

A combustão do ciclopropano envolve a maior quantidade de calor por grupo CH2. Então, as moléculas do ciclopropano devem ter a maior tensão de anel e por isso também os mesmos devem conter a maior quantidade de energia potencial por grupo CH2. Desta forma o que denominamos tensão de anel é uma forma de energia potencial que a molécula contém, então quanto mais tensão do anel a molécula tem mais elevada sua energia potencial e menos estável será diante dos outros anéis homólogos.

Embora os outros cicloalcanos tenham tensões de anel em graus variáveis, os valores envolvidos não são grandes. O ciclopentano e o cicloeptano têm a mesma modestatensão de anel. Os anéis com 8,9 e 10 membros têm tensões de anel ligeiramente maiores e depois, os valores diminuem. Um anel de15 menbros tem uma tensão de anel muito pequena.

A Origem da Tensão de Anel no Ciclopropano e no ciclobutano: Tensão Angular e Tensão de Torsão

Os átomos de carbono nos alcanos são hibridizados em sp³. O ângulo normal da ligação tetraédrica nos átomos hibridizados em sp³ é 109,5°. No ciclopropano, os ângulos internos devem medir 60° e por isso devem afastar-se