Конформации циклических соединений

В циклических молекулах наряду с торсионными напряжениями и напряжениями Ван-дер-Ваальса могут возникать напряжения Байера (угловые напряжения), обусловленные отклонением валентных углов от тетраэдрического – 109, 5°. Возникновение этих напряжений обусловлено отталкиванием электронных пар, образующих s-связи, которые оказываются сближенными в пространстве, что приводит к увеличению энергии системы.

Циклопропан. В молекуле циклопропана атомы углерода лежат в вершинах правильного треугольника, угол между связями ССС равен 60°. Такое значение валентного угла свидетельствует о возникновении сильных угловых напряжений в этой молекуле. Кроме угловых напряжений, в циклопропане возникают и торсионные напряжения, так, связи С-Н заслоняют друг друга, что также увеличивает энергию этой молекулы за счет отталивания противостоящих связей (электронных пар, образующих эти связи). Наличие сильных угловых и торсионных напряжений делает трехчленный цикл неустойчивым, поэтому в реакциях с участием циклопропана часто наблюдается разрыв цикла, в результате чего исчезают угловые напряжения.

Неустойчивость циклопропана может быть объяснена и тем, что в молекуле между атомами углерода возникают не s-связи, а t-связи, которые образуются при угловом перекрывании орбиталей. Угловое перекрывание орбиталей не требует снижения валентного угла от 109, 5° до 60°, при котором может идти их максимальное перекрывание вдоль линии, соединяющей атомы углерода. Возникновение t-связей, являющихся промежуточными между s- и p-связями как по способу перекрывания орбиталей, так и по прочности, логично объясняет нестойкость циклопропана и его поведение в химических реакциях.

Циклобутан. Плоский четырехчленный цикл характеризуется наличием сильных угловых напряжений (угол 90° вместо 109, 5°) и торсионных напряжений. Однако циклобутан несколько стабильнее циклопропана за счет снижения напряжений в результате вращения вокруг связи углерод-углерод и вывода из плоскости одной метелиновой группы СН2.

Циклопентан. Плоский пятичленный цикл, имеющий форму правильного пятиугольника, характеризуется наличием торсионных и практическим отсутствием угловых напряжений, так, углы между связями равны 108°, что незначительно отличается от обычного значения 109, 5°. Снижение торсионных напряжений достигается за счет образования неплоской структуры, напоминающей форму незакрытого конверта.