I cicloalcani formano una serie omologa e hanno formula generale CnH2n e pertanto presentano un sito di insaturazione.
Possono essere rappresentati come degli alcani in cui la catena si chiude su se stessa, perdendo due atomi di idrogeno alle due estremità e unendo direttamente i due atomi di carbonio terminali.
I cicloalcani sono composti apolari e gli omologhi inferiori hanno meno libertà di rotazione.
Serie omologa
Il più semplice tra i cicloalcani è il ciclopropano costituito da tre atomi di carbonio.
Il ciclobutano, il ciclopentano, e il cicloesano sono membri superiori. Anelli che contengono da cinque a sette atomi di carbonio vengono definiti anelli comuni, quelli a tre o quattro atomi di carbonio vengono definiti piccoli cicli, quelli a otto-dieci atomi di carbonio cicli medi ed infine quelli a dodici o più atomi di carbonio macrocicli.
Le caratteristiche inusuali degli anelli piccoli derivano dal fatto che gli atomi di carbonio sono ibridati sp3 tendono ad avere angoli di legame di 109.5°.
Conformazioni
Le richieste geometriche degli anelli piccoli riducono questi angoli a valori inferiori e precisamente a 60° nel ciclopropano 90° nel ciclobutano. Le conformazioni e le tensioni angolari di questi anelli contribuiscono alla loro scarsa stabilità e alla loro elevata reattività.
Gli atomi di carbonio nel ciclopropano sono necessariamente in un unico piano dato che tre punti determinano un piano. Questa molecola ha un alto grado di simmetria e tutti gli idrogeni sono equivalenti.
Il ciclobutano invece non è planare.
La struttura angolata dell’anello costringe gli angoli interni C-C-C a un valore inferiore ai 90° esistenti nella struttura planare a circa 88°.
Questa deformazione dell’angolo ancora più lontano dal valore tetraedrico richiede energia, tuttavia la molecola piegandosi in questo modo riduce l’energia torsionale.
Il ciclopentano ha una struttura piegata per lo stesso motivo. La media degli angoli C-C-C nel ciclopentano e di circa 105° cosicché la tensione angolare e molto meno importante che nel ciclobutano.
L’energia sterica totale del ciclopentano è molto minore rispetto a quella del ciclobutano.
I cicli medi contengono anch’essi un’energia torsionale e in questi anelli vi sono forti repulsioni idrogeno idrogeno trans anulari dovute al fatto che gli idrogeni dalle parti opposte dell’anello sono tenuti vicini al punto di risentire di interazioni di Van der Waals.