3.9: 环烷烃的构象

阿道夫·冯·拜尔 (Adolf von Baeyer) 尝试通过角应变的概念来解释小环烷烃环和大环烷烃环的不稳定性，即因键角偏离 sp³ 杂化碳的理想四面体值 109.5° 而引起的应变。 然而，虽然环丙烷和环丁烷的高压缩键角确实导致了应变，但环戊烷的应变比预期更大，而环己烷几乎没有应变。因此，拜尔基于所有环烷烃都是平面的假设的理论是错误的，实际上，大多数环烷烃都采用非平面结构。

环丙烷是三碳环烷烃，由于其平面结构被高度压缩，因此具有最高的角应变，与理想值偏离49.5°。 此外，由于六个 C-H 键之间的重叠相互作用，环丙烷还具有扭转应变。 因此，环丙烷的总环应变为 116 kJ/mol。

与平面的环丙烷不同，环丁烷具有更稳定的折叠非平面构象。 与假设的平面环丁烷相比，折叠导致角应变略有升高，但大大减轻了由十个重叠氢引起的扭转应变。 环丁烷的总应变为 110 kJ/mol。环戊烷还采用称为包络构象的非平面构象。 与假设的环戊烷平面形式相比，包络构象的键角略有减小，这略微增加了角应变。 然而，它显着减轻了十个重叠 C-H 键的扭转应变。 因此，环戊烷中的总应变为 27 kJ/mol。

环烷烃的相对稳定性随其环大小而变化。这些变化是由角应变和扭转应变的综合作用引起的，统称为环状化合物的环应变。

当 CCC 键角偏离 109.5° 的常规四面体键角时，角应变就会被引入环烷烃中，正如烷烃的所有 sp³ 杂化碳所预测的那样。

另一方面，扭转应变存在于蚀形键之间，是排斥色散力的结果。

在环丙烷中，60° 的内角明显小于理想角度，在分子中引入严重的角度应变，迫使 sp³ 轨道以一定角度重叠，从而产生较弱的"弯曲"碳-碳键。

环丙烷由于其平面性质，也因六对完全日蚀的 C-H 键而承受相当大的扭转应变。

从本质上讲，环丙烷是一种高度应变的分子，应变能高达 116 kJ/mol。因此，环丙烷具有很高的反应性。

与环丙烷不同，环丁烷是非平面的，采用折叠构象。折叠的环丁烷比其假设的平面形式更稳定。

虽然环的折叠略微增加了角度应变，但通过将键角从 90° 降低到 88°，它大大降低了与八个蚀刻的 C-H 键相关的扭转应变，从而产生 110 kJ/mol 的净应变能。

与环丁烷一样，环戊烷也是非平面的，并呈现包络构象，一个或两个原子从平面中弯曲出来。

尽管假设的平面环戊烷具有 108° 键角——非常接近理想值，但包络构象极大地减轻了十个黯然失色键的扭转应变，而角度应变仅略微增加。

因此，环戊烷中的总环应变低至 27 kJ/mol。