Строение циклопропана
Рис.1. Строение циклопропана
В молекуле циклопропана все атомы углерода расположены в одной плоскости.
При таком расположении атомов углерода в цикле валентные углы должны быть равны 600, а величина их отклонения от нормального валентного угла (109028 ) должна составлять: α = (109028 – 600) : 2 = 24044 . Это наиболее напряженная циклическая система.
Однако в действительности, валентные углы между атомами углерода в циклопропановом цикле составляет 1060. Это объясняется тем, что σ-связи между атомами углерода в циклопропане отличаются от обычных σ-связей, образующихся при перекрыванииsp3-гибридных орбиталей в алканах.
При образовании углерод-углеродных связей в циклопропановом цикле происходит только частичное перекрывание sp3-гибридных орбиталей, направленное не вдоль прямой, соединяющей центры связанных углеродных атомов, а за пределами плоскости циклопропана, что приводит к образованию изогнутых орбиталей или так называемыхбанановых илиτ- (греч.«тау») связей.
Образование банановых (или τ-) связей в циклопропане приводит к уменьшению углового напряжения в цикле, так как угол между осями двух электронных облаков увеличивается от 600до 1060, а сами τ-связи приобретают частично ненасыщенный характер и по прочности они занимают промежуточное положение между σ- и π-связями.
Этим объясняется склонность циклопропана к реакциям присоединения. О частичном ненасыщенном характере атомов углерода в молекуле циклопропана свидетельствует также повышенная протонная подвижность атомов водорода.
Строение циклобутана и циклопентана
В циклобутане и особенно в циклопентане угловое (ангулярное) напряжение, связанное с отклонением валентных углов атомов углерода от нормального валентного (109028), значительно ниже.
При расположении всех атомов углерода четырех- и пятичленных циклов в одной плоскости отклонение валентных углов составляет соответственно:
- для циклобутана - (109028 - 900) : 2 = 9044;
- для циклопентана - (109028 - 1080) : 2 = 0044
Однако, в действительности, молекулы циклобутана и циклопентана не являются плоскими, так как в плоских структурах все атомы водорода находятся в заслоненном состоянии, что приводит к появлению торсионного напряжения и уменьшению стабильности молекул.
Для снижения торсионного напряжения молекулы циклобутана и циклопентана принимают неплоские конформации, в которых благодаря силам отталкивания между атомами водорода один из атомов углерода в циклобутане или в циклопентане непрерывно выходят из плоскости циклов.
Поэтому кольца циклобутана и циклопентана как бы находятся в постоянном волнообразном движении, при котором происходит быстрое превращение одной конформации в другую.
Циклобутан и многие его производные существуют в неплоской складчатой конформации, где одна метиленовая группа отклонена на 250от плоскости, в которой находятся три другие атома углерода:
Рис.2. Конформационные изменения циклобутана:
Энергетически более выгодно существование циклопентана в виде так называемого «конверта», в котором 4 атома углерода находятся в одной плоскости, а пятый выходит из нее.
Рис.3. Конформационные изменения циклопентана:
В результате в молекулах циклобутана и циклопентана уменьшается «заслоненность» атомов водородов у соседних углеродных атомов, что приводит к снижению торсионного напряжения, за счет появления небольшого углового (ангулярного) напряжения.