環ひずみ

環ひずみとは

有機化学において、環ひずみは分子内の結合が理想的な角度からずれることにより生じる不安定な状態のことを指します。特に、小さな環状分子、例えばシクロプロパンやシクロブタンでは、このひずみが顕著であり、これらの分子ではC-C-Cの結合角が約109°から大きくずれています。このため、高いひずみを持つ環状化合物はその燃焼熱が増加する特性を持っています。

環ひずみの要因

環ひずみは、いくつかの要因から生じます。その中でも重要なのは、角ひずみ、配座ひずみ（ピッツァーひずみ）、渡環ひずみ（ファンデルワールスひずみ）です。角ひずみというのは特に、結合角が理想的な値からずれた時に発生し、アルカンの場合、理想的な結合角は109.5°になります。最も一般的な環状化合物は、5つまたは6つの炭素原子を持つものです。

バイヤーひずみ理論

1905年にアドルフ・フォン・バイヤーは、環状分子の安定性を説明するバイヤーひずみ理論を発表し、その功績によりノーベル賞を受賞しました。この理論では、環状分子における角ひずみの影響が示されています。実際、角ひずみが存在すると分子が不安定になり、反応性が高くなることが観察されます。角ひずみの評価はひずみエネルギーによって定量化され、この値が高いほど分子はより不安定であることを示しています。

燃焼熱と環ひずみ

環ひずみが存在する分子の燃焼熱は、特定の対照物質と比較することで測定されます。例えば、シクロアルカンにおけるメチレン基（CH2）当たりのモル燃焼熱を測定することによって、エネルギーを正規化し、環ひずみを比較することができます。具体的には、この値は658.6 kJ/molとされ、この値は長鎖のアルカンに比べて顕著に上昇します。

環状アルケンにおける角ひずみ

環状アルケンでは、sp²混成の炭素中心の変形から生じるひずみが存在します。このひずみの一例が、ピラミッド状の構造を持つC60です。このような変形は分子の反応性を高める要因となっており、ブレット則の基礎でもあります。この則は、極度の角ひずみが生じると橋頭位の炭素原子が二重結合を形成できないことを示しています。

環ひずみを持つ分子の例

環ひずみの影響を受ける分子には、多くの例があります。特に、シクロプロパン（C3）、シクロブタン（C4）、および一部の5員環などの3員環や4員環が高いひずみを持ちます。これらの分子のC-C結合角は、例えばシクロプロパンの60°、シクロブタンの約90°など、理想的な結合角から大きくずれています。このため、これらの化合物は驚異的な高エネルギー状態を持ち、結合のエネルギーが低下します。

環ひずみが存在するため、これらの小さな環状分子は柔軟性をほとんど持たず、シクロプロパンやシクロブタンの環構造はファンデルワールス反発によって高いエネルギーを生成し、さらに周辺の置換基に影響を与えます。

結論として、環ひずみは分子の安定性や化学反応性に大きな影響を及ぼし、特に小さな環状構造においてその影響は顕著です。

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