8.2.2. Циклобутан

Циклобутан представляет собой неплоский четырёхугольник с валентными углами ССС = 88,НСН = 107. Длина углерод-углеродной связи даже несколько больше, чем в алканах, и составляет 0.1551нм.

Вциклобутане, так же как и в циклопропане, существует угловое и торсионное напряжение. Его общая энергия напряжения близка (110кДж/моль) к энергии напряжения циклопропана, хотя угловое напряжение здесь даёт меньший вклад по сравнению с циклопропаном, поскольку даже в плоском циклобутане валентный угол был бы равен 90. Но в гипотетическом плоском циклобутане должна быть значительно больше энергия торсионного напряжения за счёт 8 атомов водорода, которые находились бы в заслонённой конформации. В неплоской конформации атомы водорода оказываются уже не в заслонённом, а в несколько скошенном положении; величина торсионного угла составляет 17.5.

8.2.3. Циклопентан

Молекула циклопентана неплоская, хотя в гипотетическом плоском циклопентане валентные углы должны быть 108, что очень близко к значению тетраэдрического угла 109.5. Здесь существует только торсионное напряжение. Однако в плоской молекуле оно было бы значительно больше за счёт всех 10 атомов водорода, находящихся в заслонённой конформации друг к другу. Реальная молекула циклопентана напоминает «открытый конверт».

За счёт скошенной конформации происходит некоторое искажение валентных углов (ССС = 104.5). В результате напряжённость молекулы составляет величину порядка 26—27 кДж/моль.

8.2.4. Циклогексан

В молекуле циклогексана полностью отсутствует напряжение. Молекула находится в форме кресла. Это наиболее устойчивая конформация. В этой конформации все валентные углы близки к тетраэдрическому и все связи С–Н находятся в заторможенном положении.

конформация «кресло»

Связи С–Н, параллельные воображаемой оси молекулы циклогексана, и атомы водорода этих связей называются аксиальными (а). Другие шесть С–Н-связей, расположенные примерно параллельно усреднённой плоскости кольца (под углом 107.5 к аксиальным связям), и атомы водорода этих связей называются экваториальными (е).

Энергетический барьер перехода одной кресловидной конформации в другую составляет 45 кДж/моль, при этом все аксиальные атомы водорода становятся экваториальными, и наоборот все экваториальные — аксиальными:

Этот процесс носит название конверсии цикла.

Существуют и другие конформации молекулы циклогексана, но все они обладают энергией большей, чем конформация кресла. Так, в конформации «ванна» меняется положение водородных атомов при С₁, С₂ и С₆. Атомы водорода при С₂ и С₃ становятся заслонёнными, такая же ситуация и при атомах углерода С₅ и С₆.

конформация «ванна»

Кроме того, возникает отталкивание аксиальных атомов водорода при С₁ и С₄. В целом конформация ванны на 30 кДж/моль выше по энергии по сравнению с кресловидной формой.

При скручивании ванны для придания более устойчивой гош-конформации образуется твист-форма («скошенная ванна»):

В этой конформации снято напряжение между атомами водорода при С₁ и С₄, но атомы водорода при С₂ и С₃, а также при С₅ и С₆ частично остаются в заслонённой форме. Поэтому по энергии твист-конформация менее стабильна, чем конформация кресла. Равновесная смесь конформеров циклогексана содержит при 293 К 99.99% кресловидной формы, а сам процесс конверсии цикла осуществляется с частотой порядка 10⁵ превращений в секунду при 298 К.