Пространственное строение циклоалканов

Для циклических углеводородов известна конформационная изомерия, т.е. существование несколько энергетически неравноценных форм. Так, например, циклогексан может существовать в виде конформаций «кресла», «ванны» и твист-конформации:

Конформация «кресло» является энергетически наиболее выгодной.

Из циклов трехчленный цикл (циклопропан) – единственный, у которого все углеродные атомы лежат в одной плоскости. Молекула циклопропана имеет большое угловое напряжение и поэтому неустойчива.

Начиная с циклобутана, все остальные циклы, чтобы избежать углового и торсионного напряжений, имеют неплоское строение. Так, циклобутан имеет форму квадрата, несколько изогнутого по диагонали, а циклопентан имеет форму «конверта».

В циклоалканах возможны два вида напряжений: угловое (байеровское) и торсионное (поворачивающее). Угловое напряжение обусловлено отклонением валентных углов от нормального тетраэдрического угла (109⁰28^'). Торсионное (поворачивающее) напряжение связано с тем, что атомы водорода (заместители), расположенные у разных углеродных атомов, находятся в частично или полностью заслоненных положениях, т.е. не в наиболее выгодной «заторможенной» конформации. Таким образом, напряжение молекулы, выводящее один из атомов углерода в циклоалкане из плоскости цикла, называется торсионным (поворачивающим).

Свои предпочтительные конформации имеют и высшие циклы, начиная с циклооктана. Начиная с 12-членного кольца, конформационная подвижность становится уж столь большой, что трудно зафиксировать какую-либо одну предпочтительную конформацию.

Кроме конформационной изомерии в циклических соединениях геометрическая и оптическая изомерии могут проявляться одновременно.

Геометрическая изомерия возникает в трех-четырех- и пятичленных циклах, имеющих не менее двух заместителей при разных атомах углерода. Жесткое кольцо играет ту же роль, что и двойная связь в этиленовых соединениях: заместители могут располагаться по одну сторону цикла или по его разные стороны. Например, для 1,3 –диметилциклобутана:

Транс-форма лишена элементов симметрии и может существовать в виде пары оптических антиподов. Например, для транс-циклопропан-1,2-дикарбоновой кислоты.

Присутствие двух неодинаковых несимметрично расположенных заместителей приводит к появлению двух пар оптических антиподов, в этом случае не только транс-, но и цис-форма асимметричны.

Например:

В данном случае речь идет о соединениях с двумя хиральными центрами, причем при одинаковых заместителях цис-изомер представляет собой, по существу, неактивную мезо-форму (вследствие внутримолекулярной компенсации).