ひずみとシクロヘキサン、アキシアルとエクアトリアル

前回のラセミ体とメソ体はどちらも光学不活性まででややこしい系の語句がひと段落しました。今回はガラッと変わってシクロヘキサンの安定性について見ていきたいと思います。

 

 

ひずみ

炭素数が3以上のCnH2nで表されるものは環構造をとることができるという話を以前しました。例えば炭素数が3のシクロプロパンは三角形のような形となります。算数の問題のようですが、三角形の1つの角度は一般的に60°です。一方で、sp3混成軌道は一般的に109.5°という話もしました。つまり60°と109.5°の間には大きな差があり、理想と現実のギャップが生じます。このような差をひずみと呼び、特にこの場合を結合角ひずみと呼びます。

 

 

その他にもねじれ形配座や重なり形配座でも学んだように、結合の二面角は60°が良いことも学びました。この理想の60°からのずれを、ねじれひずみと呼びます。

 

 

さらにアンチ形とゴーシュ形ではアンチ形が一番安定であることも学びました。このような立体反発作用を立体ひずみと呼びます。

 

 

これらからわかるように、構造式では理想と現実とのギャップが生じていているわけです。シクロアルカンのうちこれらのひずみに最も安定なのがシクロヘキサンです。

 

 

シクロヘキサン

シクロヘキサンは6個の炭素が平面からずれることで、結合角109.5°を保っています。そして回転はできないものの、環の中でベコベコと動くことができます。シクロヘキサンの中で一番安定なものをいす形配座と呼びます。いす形配座ではねじれひずみや立体ひずみはほぼない状態で存在することができます。

 

 

いす形がベコベコと変形するうえで途中でとる構造の1つに舟形配座があります。舟形配座は結合角ひずみはないものの、ねじれひずみや立体ひずみが存在するため不安定となります。

 

 

1,3-ジアキシアル相互作用

シクロヘキサンがいす形配座となっている時に、垂直に立っている結合をアキシアル結合と言います。一方でシクロヘキサンと水平方向の結合をエクアトリアル結合と言います。

 

 

ここでメチルシクロヘキサンを考えたときに、メチル基がアキシアル結合をとったとしましょう。この場合メチル基がかさばり、他の垂直に立っている水素原子と反発し不安定となります。この立体反発を1,3-ジアキシアル相互作用と呼びます。

 

 

1,3-ジアキシアル相互作用が生じ不安定となるため、メチル基はかさばらないように位置を変えようとします。その結果メチル基はエクアトリアルになり安定します。

 

まとめ

• ひずみが生じるため、シクロアルカンの中で最も安定なのはシクロヘキサン
• アキシアルよりエクアトリアルが安定。