3.9
环烷烃的相对稳定性随其环的大小而变化。这种变化源于角张力和扭转张力的共同作用,这两者合称为环状化合物的环张力。
当环烷烃中的C-C-C键角偏离烷烃中所有sp3 杂化碳原子所预期的正常四面体键角109.5°时,便会产生角张力。
另一方面,扭转张力存在于重叠键之间 ,是由排斥性色散力引起的。
在环丙烷中,60°的内角远小于理想键角,导致分子中产生严重的角张力,迫使sp3轨道以一定角度重叠,形成较弱的“弯曲”碳-碳键。
环丙烷由于其平面结构,还因六对完全重叠的C-H键而产生显著的扭转张力。
本质上,环丙烷是一种具有高度张力的分子,其张力能高达 116 kJ/mol。因此,环丙烷具有很高的反应活性。
与环丙烷不同,环丁烷并非平面结构,而是采取折叠构象。折叠式环丁烷比其假设的平面形式更稳定。
尽管环的折叠使键角从90°降低到88°,略微增加了角张力,但它显著降低了与八个重叠式C-H键相关的扭转张力,从而使净应变能降至110 kJ/mol。
与环丁烷类似,环戊烷也不是平面结构,而是采取信封式构象,其中一个或两个原子偏离平面。
尽管假设的平面环戊烷具有108°的键角——非常接近理想值,但信封式构象通过略微增加角张力,显著缓解了十个重叠键所产生的扭转张力。
因此,环戊烷的整体环张力低至 27 kJ/mol。