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シクロヘキサンの立体りったいはい

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はんいすがたから転送てんそう
いすがたのシクロヘキサン。アキシアル水素すいそあか、エクアトリアル水素すいそあおいろけている。

シクロヘキサンの立体りったいはい(シクロヘキサンのりったいはいざ)は、シクロヘキサン分子ぶんしがその化学かがく結合けつごう完全かんぜんせいたもちながらることができる複数ふくすうさん次元じげん形状けいじょうのいずれかである。おおくの化合かごうぶつ構造こうぞうてき類似るいじした6いんたまきゆうしているため、シクロヘキサンの構造こうぞう動態どうたいは、幅広はばひろ化合かごうぶつ重要じゅうよう原型げんけいである[1][2]

たいらな正六角形せいろっかっけい内角ないかくは120° であるが、炭素たんそくさりにおける連続れんぞくする結合けつごうあいだのぞましい角度かくどやく109.5° (せいよん面体めんてい中心ちゅうしん頂点ちょうてんむす直線ちょくせんのなすかく)である。したがって、シクロヘキサンたまきは、すべての角度かくどが109.5° にちかづき、たいらな六角形ろっかっけい形状けいじょうよりもひくひずみエネルギー特定とくてい平面へいめん立体りったいはい傾向けいこうにある。もっと重要じゅうよう形状けいじょういすがたはんいすがた舟形ふながたねじれ舟形ふながたである[3]。これらの立体りったいはい相対そうたいてき安定あんていせいは、いすがた > ねじれ舟形ふながた > 舟形ふながた > はんいすがたじゅんである。すべての相対そうたいてきはいエネルギーについては後述こうじゅつする[4][3]。シクロヘキサン分子ぶんしはこれらの立体りったいはいあいだ容易よういうつることができ、「いすがた」と「ねじれ舟形ふながた」のみが純粋じゅんすいかたちたんはなれすることができる。

主要しゅようはい異性いせいたい

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いすがた

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いすがたはいさい安定あんていはい異性いせいたいである。25 °Cにおいて、シクロヘキサン溶液ようえきちゅうぜん分子ぶんしの99.99%がこのはいる。

対称たいしょうせい英語えいごばんD3dである。すべての炭素たんそ中心ちゅうしん等価とうかである。6つの水素すいそ中心ちゅうしんはアキシアルっており、C3じくたいしておおよそ平行へいこうである。6つの水素すいそ原子げんしはC3対称たいしょうじくたいして垂直すいちょくちか態勢たいせいである。これらの水素すいそ原子げんしはそれぞれアキシアルおよびエクアトリアルとばれる。

シクロヘキサンのいすがた舟形ふながたはい(4)をかいしたかん反転はんてん(フリップ)。重要じゅうようはい構造こうぞうしめされている: いすがた(1)、はんいすがた(2)、ねじれ舟形ふながた(3)、舟形ふながた(4)。かん反転はんてんがいすがたからいすがた完全かんぜんこるときまえはアキシアルだった水素すいそ左上ひだりうえ構造こうぞうあおいH)はエクアトリアルにわり、エクアトリアルだった水素すいそ左上ひだりうえ構造こうぞうあかいH)はアキシアルにわる[4]

個々ここ炭素たんそ原子げんしには1つの「上向うわむき」水素すいそと1つの「下向したむき」水素すいそいている。隣接りんせつした炭素たんそにおけるC-H結合けつごうねじれひずみがほとんどなくなるようにねじれがたはいっている。いすがた構造こうぞうは、水素すいそ原子げんしハロゲン単純たんじゅんもとえられたときでも保存ほぞんされることがおおい。

アキシアルとエクアトリアル

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いすがたはいたまき構成こうせいするかく炭素たんそ原子げんしからびる電子でんし軌道きどうにはおおきくけて2つの方向ほうこう垂直すいちょく方向ほうこうよこ方向ほうこう)がかんがえられる。垂直すいちょく方向ほうこうびた電子でんし軌道きどうさきにある原子げんしアキシアル原子げんしまたはアキシアルにある原子げんしよこ方向ほうこうびた電子でんし軌道きどうさきにある原子げんしエクアトリアル(エカトリアル)原子げんしまたはエクアトリアルにある原子げんしぶ。また、たまき構成こうせいする炭素たんそ原子げんしとアキシアル原子げんし・エクアトリアル原子げんしとのあいだ原子げんしあいだ結合けつごうをそれぞれアキシアル結合けつごう、エクアトリアル結合けつごうとよぶ。シクロヘキサンの場合ばあいにはかく構成こうせい炭素たんそ原子げんしにエクアトリアル水素すいそとアキシアル水素すいそがそれぞれ1つずつついている。垂直すいちょく方向ほうこうよこ方向ほうこうだけでなく、たまき固定こていしてかんがえたとき上側うわがわしたがわかについても同様どうようきとなるように電子でんし軌道きどう炭素たんそ原子げんし1個いっこおきにあり、これらの電子でんし軌道きどうたがいに反発はんぱつしあっている。

アキシアル・エクアトリアルはそれぞれ英語えいごaxialequatorial表記ひょうきされ、「じく (axis)」および「赤道あかみち (equator)」から派生はせいした単語たんごである。

1,3-ジアキシアル相互そうご作用さよう

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シクロヘキサンは室温しつおん容易よういかん反転はんてんこる。アキシアルおおきな置換ちかんもとがある場合ばあいとなりのアキシアル原子げんしとの反発はんぱつりょくおおきくなる(1,3-ジアキシアル相互そうご作用さよう)ためたまき反転はんてん平衡へいこうはエクアトリアル(エカトリアル)がわかたむく。

アキシアル原子げんし電子でんし半径はんけいおおきいととなりのアキシアル原子げんしとの反発はんぱつりょくおおきくなるので、巨大きょだい原子げんしあるいは官能かんのうもとかん反転はんてんによりエクアトリアル存在そんざいする場合ばあいおおい。たとえば、うえ左側ひだりがわメチルシクロヘキサンでは、3のアキシアルにあるメチルもとが1,5のアキシアル水素すいそ反発はんぱつし、立体りったい障害しょうがいとなるため、メチルシクロヘキサンのかん反転はんてん平衡へいこううえ右側みぎがわ巨大きょだい官能かんのうもとがエクアトリアルである状態じょうたい)にかたむく。この立体りったいてき相互そうご作用さよう1,3-ジアキシアル相互そうご作用さよう (1,3-diaxial interaction) という。

舟形ふながたおよびねじれ舟形ふながた

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舟形ふながた

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舟形ふながたはいはいすがたはいよりもたかいエネルギーをゆうする。具体ぐたいてきには、2つのフラッグポールはたざお、flagpole)水素すいそあいだ相互そうご作用さよう立体りったいひずみ英語えいごばんす。ねじれひずみも、かさなりがたはいるC2–C3およびC5–C6結合けつごうあいだ存在そんざいする。このひずみのため、舟形ふながた配置はいち不安定ふあんていである(すなわち局所きょくしょてきエネルギー極小きょくしょうではない)。シクロヘキサンにおいて舟形ふながたはいはいすがたはいよりも29 kJ/mol不安定ふあんていである。このはシクロヘキサンちゅうにおいて、ある瞬間しゅんかん舟形ふながたはいをとっている分子ぶんしすうはいすがたはいをとっている分子ぶんしすうの14まんぶんの1にぎないことをしめしている。

はいエネルギーの解析かいせきによれば、舟形ふながたはいはポテンシャルエネルギーめん極小きょくしょうてんではなく鞍点あんてんにあたる。すなわちはい同士どうし変換へんかん遷移せんい状態じょうたい相当そうとうする。実際じっさい極小きょくしょうてんとなっているのはボートの舳先へさきをそれぞれたまき円周えんしゅう方向ほうこうぎゃくきにひねったかたちねじれ舟形ふながた(twist-boat、twisted-boat、skew-boat、skewed-boat、またはskew)とばれるはいである。これはシクロヘキサンにおいては舟形ふながたはいよりも6 kJ/mol安定あんていである。ねじれ舟形ふながたはいD2対称たいしょうせいゆうする。

普通ふつう、シクロヘキサンたまきにおいてはねじれ舟形ふながたはいよりもいすがたはいほう安定あんていはいであるが、cis-1,4-ジ-tert-ブチルシクロヘキサンのようにかさたか置換ちかんもとがある場合ばあい、これらの置換ちかんもとがバウスプリットにあるねじれ舟形ふながたはいほう安定あんていになる場合ばあいがある。

舟形ふながたはい分子ぶんし対称たいしょうせいはC2vである。

舟形ふながた立体りったいはいにおいては、ボートの胴体どうたい部分ぶぶん構成こうせいする4つの炭素たんそ結合けつごうしている置換ちかんもとのうち、たまきのおおよその平面へいめん垂直すいちょく方向ほうこうている置換ちかんもとなずらえアキシアル(ぎアキシアルい、pseudo-axial)にあるといい、平面へいめんない方向ほうこうている置換ちかんもとなずらえエクアトリアル(pseudo-equatrial)にあるという。また、ボートの舳先へさきにあたる炭素たんそ結合けつごうしている置換ちかんもとのうちたまき内側うちがわている置換ちかんもとフラッグポールはたざお、flagpole)にあるといい、たまき外側そとがわている置換ちかんもとバウスプリット船首せんしゅはす檣、bowsprit)にあるという。

ねじれ舟形ふながた

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ねじれ舟形ふながたはい対称たいしょうせいD2純粋じゅんすい回転かいてんてんぐん)である。このはいは、舟形ふながたはいの2ついのメチレンもとじゅうなりをのぞくように分子ぶんしをわずかにねじることによって誘導ゆうどうすることができる。

室温しつおんにおいてねじれ舟形ふながたはいぜん分子ぶんしちゅうの0.1%未満みまんしか存在そんざいしないが、1073ケルビンでは30%にたっする。シクロヘキサンの試料しりょうを1073 Kから40 Kまで急速きゅうそく冷却れいきゃくすると、ねじれ舟形ふながたはいだい部分ぶぶん固定こていされる。これらは加熱かねつしていくといすがたはいへとゆっくり変換へんかんする[5]

動態どうたい

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いすがた–いすがた

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2つのいすがたはい異性いせいたい相互そうご変換へんかんかん反転はんてんばれる。一方いっぽう配置はいちにおいてアキシアルにある炭素たんそ-水素すいそ結合けつごうはもう一方いっぽうではエクアトリアルとなり、ぎゃくもまた同様どうようである。室温しつおんで、2つのいすがたはい素早すばや平衡へいこうする。シクロヘキサンのプロトンNMRスペクトルは室温しつおんいちじゅうせんである。

いすがた–いすがた相互そうご変換へんかん詳細しょうさい機構きこうおおくの研究けんきゅう議論ぎろん対象たいしょうとなってきた[6]はんいすがた状態じょうたい下図したずD)が、いすがたはいとねじれ舟形ふながたはいとのあいだ相互そうご変換へんかんにおける重要じゅうよう遷移せんい状態じょうたいである。はんいすがたC2対称たいしょうせいゆうする。2つのいすがたはいたまき相互そうご変換へんかんは、いすがたはんいすがた → ねじれ舟形ふながたはんいすがた′ → いすがた′ の順番じゅんばんこる:

ねじれ舟形ふながた–ねじれ舟形ふながた

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舟形ふながたはい下図したずC)は遷移せんい状態じょうたいであり、2つのことなるねじれ舟形ふながたはいたまき相互そうご変換へんかん可能かのうにしている。舟形ふながたはいはシクロヘキサンの2つのいすがたはいたまき相互そうご変換へんかんには「必須ひっす」ではないが、そのエネルギーがはんいすがたのエネルギーよりもかなりひくく、ねじれ舟形ふながたからいすがたへの変化へんか十分じゅうぶんなエネルギーを分子ぶんしはねじれ舟形ふながたから舟形ふながたへの変化へんか十分じゅうぶんなエネルギーもつため、この相互そうご変換へんかん説明せつめいするために使つかわれる反応はんのう座標ざひょうふくめられることがおおい。したがって、ねじれ舟形ふながたはいにあるシクロヘキサンの分子ぶんしふたたびいすがたはいたっする経路けいろ複数ふくすう存在そんざいする。

はい: いすがた (A)、ねじれ舟形ふながた (B)、舟形ふながた (C)、はんいすがた (D)。エネルギーは43 kJ/mol (10 kcal/mol)、25 kJ/mol (6 kcal/mol)、および21 kJ/mol (5 kcal/mol)である[4]

置換ちかん誘導体ゆうどうたい

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エクアトリアルメチルもとつメチルシクロヘキサンのはい異性いせいたいはメチルもとがアキシアルのはい異性いせいたいよりも1.74 kcal/mol (7.3 kJ/mol) 有利ゆうりである。

シクロヘキサンでは、2つのいすがたはいおなじエネルギーをゆうする。置換ちかん誘導体ゆうどうたいでは状況じょうきょうはより複雑ふくざつである。メチルシクロヘキサンでは、2つのいすがたはい異性いせいたいとうエネルギーてきではない。メチルもとはエクアトリアルこのむ。エクアトリアルはいたいする置換ちかんもと優先ゆうせん傾向けいこうはそのA英語えいごばん観点かんてんから測定そくていされる。Aは2つのいすがたはいたまきギブズ自由じゆうエネルギーである。せいのAはエクアトリアルたいする優先ゆうせん傾向けいこうしめす。Aおおきさは、重水素じゅうすいそといった非常ひじょうちいさな置換ちかんもとではほぼゼロ、tert-ブチルもとといった非常ひじょうかさたか置換ちかんもとではおよそ5 kcal/mol (21 kJ/mol)となる。

2置換ちかんシクロヘキサン

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1,2- および1,4-2置換ちかんシクロヘキサンでは、置換ちかんもとcis配置はいち場合ばあいは1つの置換ちかんもとがアキシアル、1つの置換ちかんもとがエクアトリアルとなる。こういった分子ぶんししゅ素早すばやたまき反転はんてんこす。置換ちかんもとtrans配置はいち場合ばあいはジアキシアルはいはそのたか立体りったいひずみによって効果こうかてきさまたげられる。1,3-2置換ちかんシクロヘキサンでは、cisかたちはジエクアトリアルとなり、反転はんてんしたはいは2つのアキシアル置換ちかんもとたまき立体りったいてき相互そうご作用さようにより不利ふりとなる。trans-1,3-2置換ちかんシクロヘキサンは、cis-1,2- およびcis-1,4-2置換ちかんたい同様どうようであり、2つの等価とうかなアキシアル/エクアトリアルがたあいだ反転はんてんする[2]

Cis-1,4-Di-tert-ブチルシクロヘキサンは、いすがたはいにおいて1つのアキシアルtert-ブチルもとゆうするため、2つのもとともにエクアトリアルとなるねじれ舟形ふながたはいがより有利ゆうりとなる。125 Kで、ねじれ舟形ふながたはいはいすがたはいよりも0.47 kJ/mol (0.11 kcal/mol)安定あんていである(NMR分光ぶんこうほうによる測定そくてい[6]

複素ふくそたまき類似るいじたい

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シクロヘキサンの複素ふくそたまき類似るいじたいは、とう(テトラヒドロピラン)、ピペリジン、ジオキサンなど数多かずおお存在そんざいする。これらの複素ふくそたまき一般いっぱんてきにシクロヘキサンでられる傾向けいこうしたがう。すなわち、いすがたはい異性いせいたいもっと安定あんていである。しかしながら、アキシアル-エクアトリアル平衡へいこう(A)はメチレンもとのOあるいはNHによるえによってつよ影響えいきょうける。実例じつれいグルコシドはいである[2]。1,2,4,5-テトラチアン ((SCH2)3) はシクロヘキサンの不利ふりな1,3-ジアキシアル相互そうご作用さようたない。それゆえに、そのねじれ舟形ふながたはいおお存在そんざいする。対応たいおうするテトラメチル構造こうぞう、3,3,6,6-テトラメチル-1,2,4,5-テトラチアンでは、ねじれ舟形ふながたはい支配しはいてきである。

歴史れきしてき背景はいけい

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1890ねん、ベルリンで助手じょしゅをしていた28さいヘルマン・ザクセドイツばんが、かれが「対称たいしょう」および「非対称ひたいしょう」とんだシクロヘキサンの2つのかたち現在げんざいは「いす」および「ふね」とばれる)をあらわすためのかみたたかたしるした手引てびきを発表はっぴょうした。ザクセは、これらのかたち水素すいそ原子げんしについて2つの位置いちっていること(現代げんだい用語ようごでは「アキシアル」と「エクアトリアル」)、2つのいすがたがおそらく相互そうご変換へんかんすること、そして特定とくてい置換ちかんもとがいすがた一方いっぽうこのむであろうことさえもはっきりと理解りかいしていた(ザクセ=モール理論りろん)。当時とうじアドルフ・フォン・バイヤーといった化学かがくしゃらは、シクロヘキサンがベンゼン同様どうよう平面へいめんであるとかんがえており、ザクセのかんがえをしんじなかった。ザクセはこれらすべてを数学すうがくてき言語げんご表現ひょうげんしたため、当時とうじ化学かがくしゃのほとんどはザクセの主張しゅちょう理解りかいしなかった。ザクセはこれらの着想ちゃくそう発表はっぴょうしようとなんこころみたが、化学かがくしゃ興味きょうみをかきてることには成功せいこうしなかった。1893ねんにザクセが31さい死去しきょすると、かれ着想ちゃくそう世間せけんからわすられた。そのの1918ねん当時とうじ最先端さいせんたん技術ぎじゅつであるXせん結晶けっしょう構造こうぞう解析かいせきもちいてかれたダイヤモンド分子ぶんし構造こうぞうもとづき[7][8]エルンスト・モールドイツばんはザクセの「いす」がきわめて重要じゅうようなモチーフであると主張しゅちょうすることに成功せいこうした[9][10][11]デレック・バートンオッド・ハッセルはシクロヘキサンおよびその様々さまざま分子ぶんし立体りったいはいかんする研究けんきゅうで1969ねんノーベル化学かがくしょう受賞じゅしょうした。

脚注きゃくちゅう

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  1. ^ Eliel, Ernest Ludwig; Wilen, Samuel H. (2008). Stereochemistry of Organic Compounds. Wiley India. ISBN 978-8126515707 
  2. ^ a b c Smith, Michael B.; March, Jerry (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6th ed.), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-72091-7, http://books.google.com/books?id=JDR-nZpojeEC&printsec=frontcover 
  3. ^ a b Nelson, Donna J.; Brammer, Christopher N. (2011). “Toward Consistent Terminology for Cyclohexane Conformers in Introductory Organic Chemistry”. J. Chem. Educ. 88 (3): 292–294. Bibcode2011JChEd..88..292N. doi:10.1021/ed100172k. 
  4. ^ a b c J, Clayden (2003). Organic chemistry (2nd ed.). Oxford. pp. 373. ISBN 9780191666216 
  5. ^ Squillacote, M.; Sheridan, R. S.; Chapman, O. L.; Anet, F. A. L. (1975-05-01). “Spectroscopic detection of the twist-boat conformation of cyclohexane. Direct measurement of the free energy difference between the chair and the twist-boat”. J. Am. Chem. Soc. 97 (11): 3244–3246. doi:10.1021/ja00844a068. 
  6. ^ a b Gill, G.; Pawar, D. M.; Noe, E. A. (2005). “Conformational Study of cis-1,4-Di-tert-butylcyclohexane by Dynamic NMR Spectroscopy and Computational Methods. Observation of Chair and Twist-Boat Conformations”. J. Org. Chem. 70 (26): 10726–10731. doi:10.1021/jo051654z. PMID 16355992. 
  7. ^ Bragg, W. H.; Bragg, W. L. (1913). “The structure of the diamond”. Nature 91 (2283): 557. Bibcode1913Natur..91..557B. doi:10.1038/091557a0. 
  8. ^ Bragg, W. H.; Bragg, W. L. (1913). “The structure of the diamond”. Proc. R. Soc. A 89 (610): 277–291. Bibcode1913RSPSA..89..277B. doi:10.1098/rspa.1913.0084. 
  9. ^ H. Sachse, Chem. Ber., 1890, 23, 1363; Z. Phys. Chem., 1892, 10, 203; Z. Phys. Chem., 1893, 11, 185–219.
  10. ^ E. Mohr, J. Prakt. Chem., 1918, 98, 315 and Chem. Ber., 1922, 55, 230.
  11. ^ This history is nicely summarized here:[1].

参考さんこう文献ぶんけん

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  • ソロモンのしん有機ゆうき化学かがく[うえ][だい9はん]日本語にほんごばん(ISBN 978-4-567-23503-7)

推薦すいせん文献ぶんけん

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  • Colin A. Russell, 1975, "The Origins of Conformational Analysis," in Van 't Hoff-Le Bel Centennial, O. B. Ramsay, Ed. (ACS Symposium Series 12), Washington, D.C.: American Chemical Society, pp. 159–178.
  • William Reusch, 2010, "Ring Conformations" and "Substituted Cyclohexane Compounds," in Virtual Textbook of Organic Chemistry, East Lansing, MI, USA:Michigan State University, see [2] and [3], accessed 20 June 2015.

関連かんれん項目こうもく

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