シクロアルカン

まずちょっとした歴史の話から。。。

大体1800年代後半くらいの話。
当時既になんとなく環状化合物の存在は検討がついていた。
ただ具体的な構造についてははっきりしない状況だったんだ。

そこでドイツの科学者であるBaeyer(バイヤー)“角ひずみ”という考え方を思いついた。
これは簡単にいえば結合角の差によって生じるひずみが結合エネルギーを不安定にさせている、というものだった。

環状化合物という訳ではないけどわかり易さ重視で、ここではCH4(メタン)を例にとってその理屈を紹介するね。


※109.5°が結合角

混成軌道でも少し触れたけど、立体反発によりCとHの距離は安定な状態をとる為にになるべく等しい距離をとろうとする。
結果上図のような正四面体が出来上がる。
ということは構造が正四面体の結合角は109.5°に
・近づくほど安定  → ひずみが小さい
・離れるほど不安定 → ひずみが大きい
ことになるって話。

ここで参考までに各シクロアルカンにどれだけの”ひずみ”があるのか紹介するね。

とりあえず
・5員環、6員環はひずみが小さい
・3員環はひずみが大きい
くらいを頭においておけばいいかな。

さて結果的にいえばこの理屈には誤りがあった
なぜならこれはあくまで平面的な構造をとっている場合だけに限定した話だったからだ。
まぁ想像がついたと思うけど、実際には平面的な構造をとってるものはほとんどなくて、ひずみを小さくしようとして色んなところが折れ曲がっていたんだよね。
だから、化合物の全体を考える場合はひずみ単体だけでなくNewman投影式で紹介したような立体的な視点が重要になってくるんだ。
では順に説明するね。

1.シクロプロパン

立体的といった矢先で申し訳ないけどこれは平面構造しかとれない。
どういった形になっているかは下図の通りなんだけど、角ひずみが大きいことに加えて重なりひずみもあったりする
重なり型がどういう影響を与えるかはNewman投影式で紹介したとおり。
結果としては“とても不安定”だから”反応しやすい”シクロアルカンだね。

2.シクロブタン

さてこれも重なりひずみだね。
ただ今回は平面構造をとらずに折れ曲がることで重なりひずみを解消するよ。
ただし折れ曲がることによってひずみが増えちゃういます。。。(90°→88.5°

3.シクロペンタン

内角が109.5°に近いから角ひずみはほとんどないよ。
ただシクロブタンの時ど同様に平面のままだと重なりひずみが大きくなっちゃうから折れ曲がって解消するよ。

4.シクロヘキサン

さてお次はシクロアルカンでは有名シクロヘキサン
今までの流れで予想はつくと思うけど、これも折れ曲がった構造になる。
ただしこいつについては折れ曲がった構造に名前がついているってことを知っておいてほしい。
とりあえず簡単に紹介しておくね。

a.ボート型
下図の通りで角ひずみはないんだけど重なりひずみと水素同士の立体反発がある

b.イス型
下図の通りでこちらはひずみがない。
つまりはより安定しているってことだね。

さてちょっとこのイス型の方について少し補足をするね。

まず描き方のコツから

上図の順で①、②、③を線を引く。
そしてそれぞれ平行の位置にある①´、②´、③´を引く。
シクロヘキサンに結合する官能基は他の官能基との関係が守られていれば基本どこに描いても大丈夫

さてここからが本題。
六角形を構成しているのは炭素なのだから一つの角について2つの置換基がついている。
そしてこの置換基はよく下図のような感じで表現される。

なぜ色違いにして表現をしているのか?ってことなんだけど、これは置換基が配置される場所によって少し性質が変わってくるからなんだ。

ちなみに赤線がアキシャル配座青線がエクアトリアル配座って言う名前になる。
で、何か変わってくるかっていうとまぁ毎度のごとく“安定性”に影響が出てくる。

結論からいうとエクアトリアルがより安定になる
とりあえず以下を見てほしい。

アキシャルは1,3の関係にある置換基の間にNewman投影式の時にあったゴーシェ相互作用が発生するので不安定になっているってことだね。
ちなみにこの相互作用は別名1,3アキシャル相互作用と呼ばれているよ。

さて、ちょっと前に「官能基は他の官能基との関係が守られていれば基本どこに描いても大丈夫」って書いていたのを覚えている人は?っとなったかもしれないね。
性質変わるってことは別ものになるんじゃないの?ってことで。

結局のところシクロヘキサンは環を作っている部分が自由に回転しているから上の二つのイス型+ボート型がお互いに入れ替わっている状態(環反転)なんだ。

だからシクロヘキサン化合物として描く分にはどれであっても間違いではない
ただし、一番安定なものは?と聞かれればイス型・エクアトリアル配座を選ばないといけないよって話だよ。

最後にシクロブタンを、と思ったけど結構長くなったのと、ほとんど取り上げられることがないから省略するよ。
興味があったら自分で調べてみてね。

ではまた次回

© 2017 猫でもわかる有機化学

シェアする

  • このエントリーをはてなブックマークに追加

フォローする