Regangan Ruang dalam struktur Molekul Organik dari sikloalkana

Alkana merupakan senyawa kelompok hidrokarbon paling sederhana yang hanya mengandung karbon dan hidrogen. Rumus dari senyawa alkana ada C_nH_2n+2. Contoh senyawa alkana adalah metana (CH₄), etana (C₂H₆), propana (C₃H₈), butana (C₄H₁₀), pentana (C₅H₁₂), dan heksana (C₆H₁₂).

Sikloalkana merupakan salah satu tipe alkana yang mempunyai satu atau lebih cincin atom karbon pada struktur kimia molekulnya. Bentuk sikloalkana adalah cincin tertutup (alisiklik dan mempunyai ikatan tunggal (jenuh). Rumus umum sikloalkana adalah C_nH_2n dimana n adalah jumlah atom C. Sedangkan rumus sikloalkana dengan jumlah cincin adalah C_nH_2(n+1+g) dimana n adalah jumlah atom C dan g adalah jumlah cincin dalam molekul. Berikut ini adalah bentuk geometris dari berbagai macam senyawa sikloalkana.

Kestabilan (ketidakreaktifan) sikloalkana pada mulanya dijelaskan dengan “teori regangan baeyer”. Menurutnya, senyawa siklik seperti sikloalkana membentuk cincin – cincin datar kecuali siklopentana semua senyawa siklik menderita terikan (tegang karena tidak leluasa), karena sudut ikatan mereka menyimpang dari sudut tetrahedral 109.5^o. Karena sudut cincin yang luar biasa kecil, maka siklopropana dan siklobutana lebih reaktif daripada alkana rantai terbuka. Sedangkan siklopentana merupakan sistem cincin yang paling stabil karena sudut ikatannya paling dekat dengan sudut tetrahedral Siklo heksana ternyata bukan merupakan cincin datar dengan sudut ikatan 120^o melainkan suatu cincin yang agak terlipat dengan sudut ikatan 109^o, yang berarti hampir sama dengan sudut tetrahedal.

Sikoalkana memiliki kereaktifan yang sangat mirip dengan alkana, kecuali untuk sikloalkana yang sangat kecil – khususnya siklopropana. Siklopropana jauh lebih reaktif dibanding yang mungkin kita kira. Alasannya karena sudut-sudut ikatan dalam cincin. Normalnya, apabila karbon membentuk empat ikatan tunggal, maka sudut-sudut ikatannya adalah sekitar 109,5°. Pada siklopropana sudut ini sebesar 60°. 

Jika ditinjau dari segi regangan cincinnya, yang dihitung berdasarkan harga kalor pembakaran, terbukti bahwa harga regangan total cincin yang terbesar adalah pada siklopropana, disusul dengan siklobutana, dan siklopentana. Pada sikloheksana harganya = 0, yang sama dengan harga senyawa rantai terbuka. Besarnya harga regangan pada siklopropana tersebut disebabkan oleh adanya regangan sudut dan regangan sterik. Makin besar penyimpangannya dari sudut tetrahedral, makin besar pula regangan sudutnya.

Sifat kimia sikloalkana merupakan pengembangan konsep atau materi pengayaan. Penalarannya tidak sulit dan sifatnya mirip alkana.
Sikloalkana, sifatnya mirip dengan alkana, yaitu rantai atom C memiliki ikatan kovalen tunggal . Akibat dari reaksinya mengalami subtitusi 

Perbedaan alkana dan sikloalkana adalah Alkana tergolong alifatis, yaitu rantainya terbuka, sedang sikloalkana adalah hidrokarbon siklis, rantainya tertutup. Rantai terbuka berarti gerakan molekulnya lebih leluasa. Sedangkan sikloalkana seperti dipaksakan, kemungkinan besar sikloalkana lebih mudah bereaksi. Apalagi siklopropana yang rantai C-nya terpendek. Jadi siklopropana paling tidak stabil atau paling realtif." 

Sikloalkana juga mempunyai gugus cincin. Sikloheksana misalnya, memiliki sebuah struktur cincin yang sebagai "cincin yang berkerut".terlihat seperti ini:

Struktur ini dikenal sebagai bentuk "kursi" dari sikloheksana – sesuai dengan bentuknya yang sedikit menyerupai sebuah kursi. 

Pada senyawa sikloalkana yang bersifat alisiklik dikenal 3 macam tegangan :

·         Tegangan sudut karena sudut dalam lingkar berbeda 109,5^o (sudut antara 2 tangan valensi pada atom C)

·         Tegangan karena ada penolakan antara atom-atom H yang letaknya berdekatan dan berhadapan

·         Tegangan karena ada penolakan antara atom-atom C yang letaknya berdekatan dan berhadapan. Ini tterdapat pada lingkaran besar (Morrison dan Boyd, 1992)

Molekul	ΔHfo Single point	ΔHfo teroptimasi	Panjang ikatan C=C
Siklopropana	-804.679420	-807.6188
Siklobutana	-1100.099671	-1101.5230
Siklopentana	-1399.329594	-1399.6647
Sikloheksana	-1683.542236	-1689.3466
Sikloheptana	-1938.117705	-1963.5794
Propana	-950.675707	-953.8936
Butana	-1231.673799	-1235.8903
Pentana	-1512.666408	-1513.8703
Heksana	-1793.659402	-1794.8525
Heptana	-2074.651783	-2076.0139
Cis-Sikloheptena	-1820.799215	-1822.7867	1.33819
Trans-Sikloheptena	-1796.769303	-1796.9211	1.35127

Molekul	Panjang ikatan C-C	Sudut ikatan C-C-C	Sudut dihedral HCCH
Siklopropana	1.50113	60.0001	4.7016e-009
Siklobutana	1.54322	90	126.891
Siklopentana	1.52213	4.67366	19.7506
Sikloheksana	1.51524	55.3114	61.9862
Sikloheptana	1.51268	45.2736	45.6597
Propana	1.50733	111.84	58.5186
Butana	1.50645	111.556	58.6537
Pentana	1.50671	111.445	58.636
Heksana	1.50673	111.44	61.3932
Heptana	1.50694	111.471	58.6276
Cis-Sikloheptena	1.48341	114.036	55.581
Trans-Sikloheptena	1.48136	119.875	79.0373

Sikloalkana	ΔHoreaksi	Energi kekangan literatur
Siklopropana Siklobutana Siklopentana Sikloheksana Sikloheptana	-807.6188 -1101.5230 -1399.6647 -1689.3466 -1963.5794	115 109 27 0 27

          Jika melihat data diatas maka sangat jelas adanya perbedaan nilainya dan menyimpang sangat jauh. Hal ini bisa terjadi karena saat menggunakan metode komputasi molekul sikloalkana diatas hanya digambar saja tanpa mempedulikan keadaan lingkungan. Sedangkan pada energi kekangan yang diperoleh dari literatur, nilai-nilai tersebut diperoleh secara eksperimen dengan memperhatikan keadaan lingkungan saat melakukan eksperimen.

          Hal ini dapat dijelaskan dengan teori baeyer, dimana sikloalkana dianggap cincin-cincin datar. Semua cincin-cincin datar tersebut mengalami kekangan karena sudut ikatan mereka yang menyimpang dari 109.5^o terkecuali siklopentana sebab mempunyai sudut yang mendekati sudut tetrahedral (109.5^o) sehingga cincin-cincin datar yang menyimpang tersebut akan lebih mudah putus terutama siklopropana yang mempunyai reaktivitas paling besar sebab sudutnya sangat menyimpang dari sudut tetrahedral

          Pada siklopropana terdapat 3 (tiga) ikatan CH eklip.dengan kekangan torsinya sebesar 4.7016e^{-009 o} dan kekangan sudutnya sebesar 60.0001^o. Jika melihat ΔH^o_reaksi setelah siklopropana dioptimasi, diperoleh energi kekangan totalnya sebesar 807.6188 kkal/mol.

          Selain perbedaan energi tegangan cincin yang sangat besar, terjadi pula perbedaan pada sudut dihedralnya. Sudut dihedral yang dihasilkan berasal dari sudut dihedral terkecil dari ikatan H-C₁-C₂-H dengan H pada posisi trans. Secara teori, nilai dari sudut dihedral akan menurun seiring dengan semakin banyaknya atom C dan H di dalamnya yang menandakan bahwa atom yang berikatan dalam suatu molekul tersebut dapat menyesuaikan diri. Akan tetapi, dari data yang diperoleh dengan metode komputasi ini, justru terjadi ketidakteraturan data yang mungkin disebabkan masing-masing molekul yang digambar tersebut tidak memiliki kesamaan dalam ukuran sehingga nilai sudut dihedral akan kecil jika ukuran molekul yang digambar kecil, begitu pula sebaliknya.

Dalam teori regangan Baeyer, yang menyarankan bahwa cincin kecil dan besar mungkin tidak stabil karena adanya angle-strain yang terinduksi dalam molekul ketika sudut ikatan dipaksa untuk menyimpang dari nilai tetrahedral yang ideal 109°. Berdasarkan teori ini, gagasan geometris sederhana pada three-membered ring (cyclopropane) harus segitiga sama sisi dengan sudut ikatan dari 60° daripada 109°, four-membered ring (cyclobutane) harus menjadi persegi dengan sudut ikatan 90°, five-membered ring harus menjadi pentagon biasa dengan sudut ikatan 108°, dan seterusnya. Melanjutkan argumen ini, cincin besar akan meregang dengan memiliki sudut ikatan yang jauh lebih besar dari 109°.

http://mychemicaldream.blogspot.co.id/2012/09/sikloalkana.html

http://berkhidmahtholabulilmi.blogspot.co.id/2014/05/v-behaviorurldefaultvmlo.html

https://www.academia.edu/24631611/Tegangan_Cincin_Pada_Sikloalkana_dan_Siloalkena