Pitzer-Spannung

KI-Zusammenfassung

Die Pitzer-Spannung (torsionale Spannung) entsteht durch die Abstoßung von Elektronenwolken ekliptischer Bindungen, insbesondere zwischen benachbarten C–H-Bindungen. Sie ist maximal bei planaren oder stark ekliptischen Konformationen und minimal bei gestaffelten Anordnungen. In Cycloalkanen wird die Pitzer-Spannung durch Abknicken des Rings deutlich reduziert (z. B. Briefumschlag- oder Sessel-Konformationen). Sie ist eine zentrale Komponente der Ringspannung neben Baeyer- (Winkel-) und Prelog- (transannularer) Spannung.

Torsionsspannung

Die Torsionsspannung, nach dem amerikanischen Chemiker Kenneth S. Pitzer (1914–1997) auch als Pitzer-Spannung bezeichnet, ist eine Komponente der Ringspannung cylischer Moleküle. Die Torsionsspannung kommt durch Van-der-Waals-Abstoßung von ekliptisch angeordneten H-Atomen (oder anderen Substituenten) zustande.

Exkurs Ethan

Betrachten Sie einmal das Ethan-Molekül, das ja in vielen Konformationen vorkommen kann, von denen zwei sogar einen eigenen Namen haben:

Die gestaffelte und die verdeckte Konformation des Ethan-Moleküls
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: Public domain.

Die verdeckte Konformation hat eine etwas höhere Energie als die gestaffelte, weil sich die Bindungselektronen der C-H-Bindungen näher kommen und sich daher eher abstoßen als in der gestaffelten Konformation.

Beispiel Cyclopentan

Sehr gut kann man den Einfluss dieser Torsionsspannung am Cyclopentan-Molekül erklären.

Die Cyclopentan-Konformationen
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain

Planare Konformation

Oben links im Bild sehen wir die planare Konformation des Cyclopentans. Die Baeyer-Spannung (eine Komponente der Ringspannung, auch als Winkelspannung bezeichnet) ist hier minimal, weil die C-C-C-Bindungswinkel von 108º fast dem Tetraederwinkel von 109,5º entsprechen.

Andererseits befinden sich alle 10 H-Atome in voll-ekliptischer (verdeckter) Position. Das summiert sich dann zu einer sehr starken Torsionsspannung, hervorgerufen durch die Van-der-Waals-Abstoßungen.

Briefumschlag-Konformation

Die sogenannte Briefumschlag-Konformation des Cyclopentans ist ca. 21 kJ/mol günstiger. Eine CH₂-Gruppe wird um einen kleinen Winkel aus der Ebene heraus gehoben, so dass nur noch zwei Paare von H-Atomen voll-ekliptisch stehen (im Modell ganz links). Zwischen den anderen H-Atomen herrschen schwächere bis gar keine Abstoßungskräfte.

Es gibt eine zweite Briefumschlag-Konformation mit dem gleichen Energiegehalt, um in diese zweite Konformation umzuklappen, muss die energetisch ca. 4 kJ/mol höher liegende Halbsessel-Konformation durchlaufen werden. Hier sind die H-Atome so angeordnet, dass drei starke Abstoßungskräfte und zwei bis drei schwächere wirken.

Weitere Komponenten der Ringspannung

Die Pitzer-Spannung ist nur eine von drei Komponenten der Ringspannung. Auch die BAeyer-Spannung (Winkelspannung durch Abweichung der Bindungswinkel vom Tetraederwinkel) und die Prelog-Spannung (transannulare Wechselwirkungen in mittelgroßen Cycloalkanen) tragen mehr oder weniger stark zur Ringspannung bei.