Baeyer-Spannung

KI-Zusammenfassung

Die Baeyer-Spannung beschreibt die energetische Belastung von Cycloalkanen durch Abweichungen der C–C–C-Bindungswinkel vom idealen Tetraederwinkel. Sie ist besonders ausgeprägt in kleinen Ringen und ein zentraler Faktor für Struktur, Stabilität und Reaktivität von Cycloalkanen.

Winkelspannung

Die Winkelspannung ringförmiger Kohlenstoff-Verbindungen entsteht durch Abweichung der C-C-C-Bindungswinkel vom idealen Tetraederwinkel (109,5º). Besonders extrem sieht man dies beim Cyclopropan, dem einfachsten Cycloalkan. Die Winkel eines gleichseitigen Dreiecks betragen 60º, der Tetraederwinkel dagegen 109,5º. Wir haben es also mit einer Abweichung von fast 50º zu tun.

Historisches

Der Begriff Baeyer-Spannung geht auf den deutschen Chemiker Adolf von Baeyer zurück, der 1985 annahm, dass Ringmoleküle besonders stabil sind, wenn ihre inneren Bindungswinkel (bei Cycloalkanen also die C-C-C-Winkel) dem idealen Tetraederwinkel von 109,5º entsprechen.

Von sp³-Hybridisierung des C-Atoms wusste Baeyer natürlich noch nichts, aber zahlreiche Messungen ergaben schon sehr früh, dass die C-C-C-Winkel Werte zwischen108º und 109º haben mussten, was einem Tetraederwinkel entspricht.

Baeyer ging dabei von zwei wichtigen Annahmen aus:

1. C-Atome in gesättigten Verbindungen bevorzugen einen festen Bindungswinkel von 109,5º.
2. Cycloalkane sind planar, alle C-Atome liegen also in einer Ebene.

Jede Abweichung von dem Idealwert 109,5º führt zu einer energetischen Spannung im Molekül, der Baeyer-Spannung. Je stärker diese Abweichung, desto stärker die Baeyer-Spannung.

Wahrscheinlich hat Baeyer damals mit Molekülmodellen experimentiert und dabei festgestellt, dass es sehr schwer ist, aus den vorgefertigten tetraedrischen C-Atomen und den mehr oder weniger festen Verbindungsstücken ein Cyclopropan- oder Cyclobutan-Molekül herzustellen.

Ursachen der Winkelspannung

Bei kettenförmigen Alkanen überlappen die sp³-Hybridorbitale der C-Atome perfekt. Wird durch die Struktur des Moleküls ein kleinerer Bindungswinkel erzwungen, wie dies beispielsweise beim Cyclopropan oder Cyclobutan der Fall ist, können die Orbitale nicht mehr vollständig überlappen, und die Bindungselektronen der kovalenten C-C-Einfachbindungen stoßen sich stärker gegenseitig ab.

Moderne Konzepte

Heute vermutet man, "dass die Änderung der Bindungswinkel durch Änderungen in der Hybridisierung der C-Atome zustande kommt und dadurch die Bindung einer C=C-Bindung ähnlich wird" ^[2].

Weitere Komponenten der Ringspannung

Die Baeyer-Spannung ist nur eine von drei Komponenten der Ringspannung. Auch die Pitzer-Spannung (Torsionsspannung durch ekliptische H-Atome) und die Prelog-Spannung (transannulare Wechselwirkungen in mittelgroßen Cycloalkanen) tragen mehr oder weniger stark zur Ringspannung bei. Vor allem in kleineren Ringen (Cyclopropan und Cylcobutan) dominiert aber die Baeyer-Spannung.