環張力

環張力 (Ring Strain)
國立臺灣師範大學化學系碩士班一年級 翁于婷研究生

環烷類，具有「環張力」，因為分子的排列並不是平面的，環烷類的化合物其碳原子的混成是 $$sp^3$$，鍵和鍵最好的角度是 $$109.5^\circ$$，但不同的環烷類其鍵結的方式並不一定是最理想的角度，所以就有所謂的張力問題。

• 環張力 (ring strain) $$=$$ 扭轉張力 (torsional strain) $$+$$ 角張力 (angle strain)
• 非環狀化合物，就沒有環張力的問題。環張力 (ring strain) $$= 0$$

我們先從一些數據來看各種環烷類的環張力：

$$\mathrm{C_nH_{2n}+\frac{3}{2}nO_2\rightarrow nCO_2+nH_2O-\Delta H_{combustion}}$$

Table 1. 一些常見環烷的環張力

由上表得知

(1) 環己烷 (cyclohaxane)環張力 $$= 0$$
(2) 環丙烷 (cyclopropane)和環丁烷 (cyclobutane) 環張力相似
(3) 環庚烷 (cycloheptane)和環戊烷 (cyclopentane) 環張力相似
(4) 環張力 (ring strain)比較：

1. 環丙烷 (cyclopropane)

環丙烷每個碳 $$(C_{sp^3})$$-碳 $$(C_{sp^3})$$ 鍵角 $$60^\circ$$，其角張力非常大 （與 $$109.5^\circ$$ 偏差大），軌域重疊度不理想($$C$$—$$C$$ 鍵被描述成彎曲狀)(Figure 1)，所以這也是為什麼一般碳-碳鍵的 bond 不容易斷，但是環丙烷的碳-碳鍵卻非常弱，加熱或者是加酸催化就容易被打斷。

Figure 1.

環丙烷的三角形環是平面的，環上原子全部重疊 (eclipsed conformation)，有最大的扭轉張力( Figure 2 )。

Figure 2.

2. 環丁烷 (cyclobutane)

環丁烷的構型有兩種，一種是平面構型 (planar conformation)，另一種是摺疊構型 (puckered conformation)，這兩種構形如何決定哪一個結構比較穩定，就需要比較他們各自的角張力和扭轉張力了。

	(1)平面構型 (planar conformation)	(2) 摺疊構型 (puckered conformation)
角張力	平面構型 $$(90^\circ)$$	摺疊構型 $$(88^\circ)$$
扭轉張力	具有較大的扭轉張力	較小的扭轉張力

所以就上面兩種比較，我們可以知道環丁烷傾向摺疊構型 (puckered)，而環丁烷和環丙烷兩者的環張力藉由簡單的氧化反應就可以知道，環丁烷比環丙烷需要較高的溫度才能在鎳的催化下氫化，亦即，環丁烷環張力比較大，理由就是角張力。

3. 環戊烷 (cyclopentane)

環戊烷的構型也有兩種，一種是平面構型 (planar conformation)；另外一種是扭曲構型 (skew conformation)，又叫信封構型 ((envelop conformation)。

$$(1)$$ 平面構型 (planar conformation)
每個碳-碳鍵都接近 $$109.5^\circ$$，角張力接近 $$0$$，但都有相當大的扭轉張力，此結構有不穩定。

$$(2)$$ 信封構型 (envelop conformation)
扭轉力小（接近staggered構型 ）而環戊烷因為其環張力很小，在一般催化條件下是不被氫化的。

4. 環己烷 (cyclohaxane)

環己烷擁有四種構型，最穩定的構型叫椅型 (chair conformation)，碳-碳鍵鍵角 $$109.5^\circ$$，角張力 $$0$$，構型是 staggered，所以扭轉張力也為 $$0$$。

環己烷和一般非環狀結構一樣，沒有環張力，所一般催化氧化條件是不被氫化的。

環己烷另外三種構型是半椅型 (half chair conformation)，船型 (boat conformation)和扭轉船型 (twist boat conformation)。

$$(1)$$ 半椅型 (half chair conformation)
有角張力 (角度 $$120^\circ$$)，還有扭轉張力，其結構是最不穩定的。

$$(2)$$ 船型 (boat conformation)
Eclipsed 構型角張力 $$=0$$，扭轉張力大

$$(3)$$ 扭轉船型 (twist boat conformation)
skew 構型(鍵角 $$109.5^\circ$$) 角張力 $$=0$$，扭轉張力小

構型穩定性：
椅型 (chair conformation) >扭轉船型 (twist boat conformation) >船型 (boat conformation) >半椅型 (half chair conformation)

參考資料

1. L. G. Wade, Jr. (2006)。Organic Chemistry. (6^th ed.)。Pearson。Chapter 3
2. Robert C. Atkins. (2001)。Organic Chemistry. (3^rd ed.)。McGraw-Hill。Chapter 2
3. Loudon, G, Marc. (1995)。Organic Chemistry. (3^rd ed.)。Chapter 7
4. WIKIPEDIA。Ring strain。 http://en.wikipedia.org/wiki/Ring_strain
5. CHEMWIKI。Ring strain。 http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Hydrocarbons/Alkanes/Properties_of_Alkanes/Cycloalkanes/Ring_Strain_and_the_Structure_of_Cycloalkanes