3.9: シクロアルカンの立体構造

アドルフ・フォン・バイヤーは、角ひずみの概念を使用して、大小のシクロアルカン環の不安定性を説明しようとしました。これは、sp³ 混成炭素の理想的な 109.5° 四面体値からの結合角の偏差によって引き起こされるひずみです。 ただし、シクロプロパンとシクロブタンは、高度に圧縮された結合角から予想されるように歪みますが、シクロペンタンは予測よりも歪みがあり、シクロヘキサンは事実上歪みがありません。 したがって、すべてのシクロアルカンが平面であるという仮定に基づいたバイヤーの理論は誤りであり、実際には、ほとんどのシクロアルカンは非平面構造をとります。

３つの炭素を持つ環状型アルカンであるシクロプロパンは、その平面構造が高度に圧縮されているため、最も高い角ひずみを持ち、理想値から 49.5° ずれています。 さらに、シクロプロパンは、6 つの C-H 結合間の相互作用によりねじれひずみを生じます。 したがって、シクロプロパンの全体的な環ひずみは 116 kJ/mol になります。 平面状のシクロプロパンとは異なり、シクロブタンはより安定した、折り畳まれた非平面状の立体構造をとります。 折り畳むと、仮想の平面シクロブタンと比較して角ひずみがわずかに増加しますが、10 個の水素が重なり合うことによるねじれひずみは大幅に軽減されます。 シクロブタンの全体的なひずみは 110 kJ/mol です。 シクロペンタンは、エンベロープ構造として知られる非平面構造もとります。 シクロペンタンの仮想的な平面形状と比較して、エンベロープ形状では結合角がわずかに減少しており、これにより角ひずみがわずかに増加します。 ただし、10 個の C-H 結合の重なりによるねじれひずみは大幅に軽減されます。 したがって、シクロペンタン中の全体のひずみは 27 kJ/mol になります。

シクロアルカンの相対的な安定性は、その環のサイズによって異なります。この変動は、環状化合物の環ひずみとして知られる角度ひずみとねじりひずみの複合効果から生じます。

シクロアルカンでは、C-C-C結合角が通常の四面体結合角109.5°から逸脱すると、アルカンのすべてのsp³混成炭素について予測されるように、角度ひずみが導入されます。

一方、ねじりひずみは食結合間に存在し、反発分散力の結果です。

シクロプロパンでは、理想角よりも大幅に小さい60°の内角により、分子内に厳しい角度ひずみが発生し、sp³軌道が斜めに重なり合うことを余儀なくされ、より弱い「曲がった」炭素-炭素結合が得られます。

シクロプロパンは、その平面的な性質のために、完全に食された6対のC-H結合からかなりのねじりひずみも受けます。

本質的に、シクロプロパンは116 kJ / molという高いひずみエネルギーを持つ非常にひずみのある分子です。このため、シクロプロパンは反応性が高いです。

シクロプロパンとは異なり、シクロブタンは非平面であり、折り畳まれたコンフォメーションを取ります。折り畳まれたシクロブタンは、その仮想的な平面形態よりも安定しています。

リングを折りたたむと角度ひずみがわずかに増加しますが、ボンディング角度を90°から88°に下げることで、8つの食C-H結合に伴うねじりひずみが大幅に減少し、正味ひずみエネルギーは110 kJ/molになります。

シクロブタンと同様に、シクロペンタンも非平面であり、1つまたは2つの原子が平面から曲がるエンベロープコンフォメーションを前提としています。

仮想的な平面シクロペンタンの結合角は108°で、理想値に非常に近いですが、エンベロープコンフォメーションは、角度ひずみがわずかに上昇するだけで、10個の食結合からのねじれひずみを大幅に緩和します。

したがって、シクロペンタンの全体的な環ひずみは27 kJ/molと低くなっています。