Cycloalkanes

一連の炭素原子が鎖状ではなく、閉じて環を形成している有機化合物は数え切れないほど知られています。 飽和炭化水素のうち、1つの環を持つものをシクロアルカンと呼ぶ。 一般式はCnH2n（nは2以上の整数）であり、同じ炭素原子数のアルカンに比べて水素原子の数が2個少なくなっている。 シクロプロパン（C3H6）は最も小さいシクロアルカンであるが、シクロヘキサン（C6H12）は最も研究され、最も理解され、最も重要なシクロアルカンである。

シクロアルカンの命名では、環に結合したアルキル基を明示してアルファベット順に並べ、最初に現れた置換基の位数が最も低くなるように環に番号を振った。

シクロプロパンの3つの炭素原子は正三角形の角となり、C-C-C角は60°でなければならない幾何学的構造である。 この60°という角度は、通常の四面体の結合角109.5°よりもはるかに小さく、シクロプロパンにかなりのひずみ（角度ひずみと呼ばれる）を与えている。 シクロプロパンは平面的なシクロアルカンの中で唯一、3つの食用炭素-水素結合が環の平面より上にあり、下に3つあることから生じるねじれ歪みによってさらに不安定になる。 シクロブタン(C4H8)やそれ以上のシクロアルカンでは、隣接する原子の結合が食い込むのを最小限にするために非平面的なコンフォメーションをとっている。 シクロブタンの角度ひずみはシクロプロパンより小さいが、シクロペンタンや高級シクロアルカンはほとんど角度ひずみがない。

構造解析の最も重要な原則の多くは、シクロヘキサンを調べることによって発展してきた。 シクロヘキサンの3つのコンフォメーションは、チェア、ボート、スキュー（またはツイスト）と呼ばれ、本質的に角度のひずみがないものである。 このうち、椅子は最も安定で、その主な理由は、すべての結合が千鳥に配置されているためである。 ボートとスキューのコンフォーメーションは、結合の完全な千鳥配置がないため、ねじれ歪みによって不安定になる。 ボート型は、炭素1と4の水素原子が互いに密集しているため、さらに不安定になる。 このため、2つの「旗竿」水素原子が1.80オングストローム以内に接近しており、水素原子間の反発力が顕著になる2.20オングストロームよりもはるかに近い距離にある。 室温では、シクロヘキサン分子1,000個のうち999個が椅子型である（他はスキュー型）。

シクロヘキサンの椅子型コンフォメーションの炭素-水素結合の向きは2通りある。 6つの結合は環の中心を通る縦軸に平行で、アキシャル(a)結合と呼ばれる。 この6つのアキシャル結合の方向は、環の周りの炭素から次の炭素へと上下に交互に変化する。したがって、炭素1、3、5のアキシャル水素は環の片側に、炭素2、4、6のアキシャル水素はもう片側に位置している。 残りの6つの結合は、分子のほぼ「赤道」に相当する領域にあるため、赤道（e）と呼ばれる。

シクロヘキサンの6つの軸方向と6つの赤道方向の水素原子は、椅子-椅子相互変換（環反転と呼ばれる）の急速なプロセスで相互変換される。 椅子型変換は、分子内の連続的な構造変化によってもたらされる複雑な過程です。 これは、スピンやタンブリングのような単純な分子全体の運動とは異なり、構造変化のみであるため、いかなる結合も切断する必要がありません。

椅子-椅子相互変換はシクロヘキサンの置換誘導体で特に重要です。 赤道上の置換基は軸上の置換基よりも混雑しないので、どのような置換基も環上の軸上よりも赤道上の場所を占めるとより安定である。 メチルシクロヘキサンでは、大きなメチル基が赤道上にある椅子型コンフォメーションが最も安定で、したがって、すべての可能なコンフォメーションの中で最も人口が多いコンフォメーションである。

高度に分岐したtert-ブチル基 (CH3)3C- (tert-butyl) は、メチル基よりもさらに空間的に要求され、99%以上が赤道配位である。99パーセントのtert-ブチルシクロヘキサン分子が、(CH3)3C-基が赤道上にある椅子コンフォメーションを採用している。

6員環のコンフォメーション分析、特に赤道上の置換基を持つ椅子コンフォメーションの大きな安定性は、炭化水素の分野で重要なだけでなく、特にステロイドや糖質などの生物学的に重要な分子の特性を理解するために不可欠である。 この分野の重要な発見により、ノルウェーのオッド・ハッセルとイギリスのデレク・H・R・バートンは、1969年にノーベル化学賞を共同受賞した。

シクロアルカンおよびそれを基にした化合物の最も安定な構造は、X線回折や電子回折分析、赤外線、核磁気共鳴、マイクロ波分光分析など多くの実験技術によって決定されてきた。 これらの実験的手法に加え、分子力学などの計算手法の進歩により、様々な立体配座の全ひずみエネルギーが計算され、比較されている（化学結合：分子構造への計算的アプローチも参照）。 全エネルギーが最も低い構造は最も安定であり、結合距離、結合角度、コンフォメーションの最適な組み合わせに相当する。 このような計算の利点は、実験的に調べることが難しい不安定なコンフォメーションを調べることができることである。 分子力学計算の品質は、炭化水素の多くの構造的特徴が、測定されるよりも正確に計算されると主張されるほどである。 1つのコンフォメーション（椅子）が他のどのコンフォメーションよりも安定しているシクロヘキサンとは異なり、炭素数7-12のシクロアルカンには一般に同程度のエネルギーを持ついくつかのコンフォメーションが存在する。 炭素数12以上の環は十分に柔軟で、基本的に歪みのないコンフォメーションをとる。

多環式炭化水素は2つ以上の環を含む炭化水素である。 非環状の炭素鎖を作るために必要な形式的な結合の切断の数によって、二環式、三環式、四環式などに分類される。 石油中に微量に存在するトランスデカリンやアダマンタン、化学反応性に及ぼす歪みの影響を調べるために合成されたキュバンなどがその例である。