シクロヘキサンの配座

シクロヘキサンの配座は、シクロヘキサン分子がとるいくつかの3次元形状のいずれかです。多くの化合物は構造的に類似した6員環を特徴とするため、シクロヘキサンの構造とダイナミクスは幅広い化合物の重要なプロトタイプです。^{[1] [2]}

正六角形の内角は120°であるが、炭素鎖の連続する結合間の優先角は約109.5°であり、四面体角（− ⁠の逆余弦）は120°である。1/3そのため、シクロヘキサン環は非平面（歪んだ）配座をとる傾向があり、その場合すべての角度は 109.5° に近くなり、したがって平らな六角形よりも ひずみエネルギーが低くなります。

環の周りの 1 から 6 までの番号が付けられた炭素原子について考えます。炭素原子 1、2、3 を、正しい結合長と 2 つの結合間の四面体角で固定し、次に炭素原子 4、5、6 を正しい結合長と四面体角で追加し続けると、シーケンス (2,3,4)、(3,4,5)、(4,5,6) の 3 つの二面体角を変えることができます。原子 6 からの次の結合も二面体角で配向されているため、自由度は4 つあります。ただし、最後の結合は原子 1 の位置で終了する必要があり、これにより 3 次元空間に 3 つの条件が課せられます。チェーン (6,1,2) の結合角も四面体角である場合は、条件は 4 つあります。原理的には、すべての結合長が等しく、結合間のすべての角度が等しいと仮定すると、配座の自由度はないことを意味します。原子 1、2、3 を固定すると、(1,2,3,4) の二面角が正か負かによって、椅子型と呼ばれる 2 つの解が存在し、これら 2 つの解は回転すると同じになることがわかります。しかし、解の連続体、つまり、ねじれボート型とボート型配座を含む、角ひずみが 0 である位相円も存在します。この連続体上のすべての配座には、リングを通る 2 倍の対称軸がありますが、椅子型配座にはそれがありません (椅子型配座にはD _3d対称性があり、リングを通る 3 倍の軸があります)。この連続体上の配座の対称性のため、(1,2,3,4) のさまざまな二面角で 4 つの制約すべてを満たすことができます。この連続体では、二面角に関連するピッツァーひずみのためにエネルギーが変わります。ねじれボート型のエネルギーはボート型よりも低くなります。椅子型配座からねじれ舟型配座または他の椅子型配座に移行するには、結合角を変更して高エネルギーの半椅子型配座にする必要があります。したがって、相対的な安定性は、椅子型 > ねじれ舟型 > 舟型 > 半椅子型です。すべての相対配座エネルギーを以下に示します。^{[3] [4]}室温では、分子はこれらの配座間を容易に移動できますが、純粋な形で分離できるのは椅子型とねじれ舟型のみです。これは、他の配座が局所エネルギー最小値にないためです。

ボート型とツイストボート型の配座は、前述のように、角度歪みがゼロの連続体に沿って存在します。異なる炭素原子を区別できる置換基がある場合、この連続体は、6 つのボート型配座と、その間に 6 つのツイストボート型配座 (3 つは「右巻き」、3 つは「左巻き」) がある円のようになります (どちらが右巻きと呼ばれるべきかは重要ではありません)。しかし、シクロヘキサン自体のように炭素原子が区別できない場合は、連続体に沿って移動すると、分子はボート型から「右巻き」のツイストボート型になり、次に同じボート型 (炭素原子の順列あり) に戻り、次に「左巻き」のツイストボート型になり、その後再びアキラルなボート型に戻ります。ボート⊣ツイストボート⊣ボート⊣ツイストボート⊣ボートの経路は、擬似回転を構成します。

同じ配座にあるシクロヘキサンの2つの分子内の安定性を比較する別の方法は、各分子の共平面炭素の数を評価することです。^[4]共平面炭素は、すべて同じ平面にある炭素です。共平面炭素の数が増えると、120°を形成しようとする重なり合う置換基の数が増えますが、重なり合う水素のために120°は達成できません。^[5]この重なりにより、全体的なねじれ歪みが増加し、配座の安定性が低下します。シクロヘキサンは、非平面炭素の数が少ない配座を採用することで、重なり合う置換基によるねじれ歪みを軽減します。^[6]たとえば、半椅子型配座に4つの共平面炭素が含まれ、別の半椅子型配座に5つの共平面炭素が含まれる場合、4つの共平面炭素を含む配座の方が安定します。^[4]

異なる立体配座は、「立体配座」と「異性体」という言葉を組み合わせた「コンフォーマー」と呼ばれます。

椅子型配座は最も安定した配座異性体です。298 K (25 °C) では、シクロヘキサン溶液中の全分子の 99.99% がこの配座をとります。

対称群はD 3d_です。すべての炭素中心は等価です。6 つの水素中心は C3 軸とほぼ平行な軸方向に配置され、6 つの水素原子は分子の赤道と平行です。

各炭素は、1 つの「上向き」水素と 1 つの「下向き」水素を持つ。連続する炭素の C–H 結合は、ねじれ歪みがほとんどないようにずらされている。水素原子がハロゲンまたは他の単純な基に置き換えられても、椅子型構造は多くの場合維持される。しかし、これらの水素がより大きな基に置き換えられると、二軸相互作用により分子に歪みが生じる。これは、シクロヘキサン環の軸位置にある 2 つの置換基間の相互作用 (通常は反発) である。^[7]

炭素原子を、四面体の頂点に向かって突き出た 4 つの半結合を持つ点と考えると、1 つの半結合が真上を向いて表面上に立っていると想像できます。真上から見ると、他の 3 つは正三角形の頂点に向かって外側に伸びているように見えるため、結合間の角度は 120° であるように見えます。次に、このような 6 つの原子が表面上に立っていて、垂直ではない半結合が出会って完全な六角形を形成していると考えます。その後、3 つの原子が反射されて表面の下にあると、椅子型配座のシクロヘキサンに非常によく似たものになります。このモデルでは、6 つの垂直な半結合は正確に垂直であり、リングから突き出ている 6 つの非垂直な半結合の端は正確に赤道上 (つまり、表面上) にあります。 C–H 結合は実際には C–C 結合の半分よりも長いため、椅子型シクロヘキサンの「赤道」水素原子は、赤道より上にある炭素に結合すると実際には赤道より下になり、その逆も同様です。これは他の置換基にも当てはまります。このモデルでは、環を一周する一連の 4 つの炭素原子の二面角は、正確に +60° と -60° (ゴーシュと呼ばれる) の間で交互に変化します。

椅子型配座は、結合角または長さを変えずに変形することはできません。これは、互いに鏡像の関係にある 2 つの鎖で、反対の二面角を持つ原子 (1,2,3,4) と (1,6,5,4) が含まれていると考えることができます。原子 1 から原子 4 までの距離は、二面角の絶対値によって決まります。これら 2 つの二面角が変化すると (一方が他方の反対角のまま)、炭素 1 と炭素 4 の両方で正しい結合角を維持できなくなります。

ボート型配座は、椅子型配座よりもエネルギーが高い。特に、 2 つの旗竿水素間の相互作用により、立体ひずみが生じる。また、C2–C3 結合と C5–C6 結合 (炭素番号 1 は鏡面上の 2 つのうちの 1 つ) の間にもねじれひずみが存在し、これらは重なり合っている。つまり、これら 2 つの結合は鏡面を挟んで互いに平行である。このひずみのため、ボート型構成は不安定である (つまり、局所的なエネルギー最小値ではない)。

分子の対称性はC _2vです。

ボート型配座は、自発的にねじれボート型配座に変形します。ここで対称性はD ₂で、3 つの 2 倍軸を持つ純粋な回転点群です。この配座は、分子にわずかなねじれを適用して 2 組のメチレン基の重なりをなくすことで、ボート型配座から派生します。ねじれボート型配座はキラルで、右手型と左手型があります。

室温でのねじれ舟形配座の濃度は0.1%未満ですが、1,073 K (800 °C)では30%に達することがあります。シクロヘキサンのサンプルを1,073 K (800 °C)から40 K (-233 °C)まで急速に冷却すると、ねじれ舟形配座が大量に凍結し、その後加熱するとゆっくりと椅子形配座に変化します。^[8]

椅子型配座異性体の相互変換は、リングフリッピングまたは椅子フリッピングと呼ばれます。一方の配置でアキシャルである炭素-水素結合は、もう一方の配置ではエクアトリアルになり、逆もまた同様です。室温では、2 つの椅子型配座は急速に平衡化します。シクロヘキサンのプロトン NMR スペクトルは、室温ではシングレットであり、アキシャル水素とエクアトリアル水素の別々の信号に分離しません。

一方の椅子型では、炭素原子鎖 (1,2,3,4) の二面角は正であるのに対し、鎖 (1,6,5,4) の二面角は負ですが、もう一方の椅子型では状況は逆です。したがって、これらの鎖は両方とも二面角の反転を経る必要があります。これら 2 つの 4 原子鎖のうちの 1 つが二面角 0 まで平坦になると、半椅子型配座が得られ、変換経路に沿ってエネルギーが最大になります。次に、この鎖の二面角が他の 4 原子鎖の二面角と (符号と大きさの両方で) 等しくなると、分子はねじれボート型とボート型を含む配座の連続体に達し、結合角と長さはすべて通常の値になり、したがってエネルギーは比較的低くなります。その後、もう一方の 4 炭素鎖は、目標の椅子型を達成するために二面角の符号を切り替える必要があるため、この鎖の二面角がゼロを通過するときに、分子は再び半椅子型を通過する必要があります。このように 2 つの鎖の符号を順番に切り替えると、途中で最大エネルギー状態 (半椅子型状態) が最小限に抑えられます。両方の 4 原子鎖の二面角の符号が同時に切り替わると、炭素 1 と 4 での角度歪みにより、さらに高いエネルギーの配座を通過することになります。

椅子型から椅子型への相互変換の詳細なメカニズムは、多くの研究と議論の対象となってきました。^[9] 半椅子型状態（下図のD ）は、椅子型とねじれ舟型配座間の相互変換における重要な遷移状態です。半椅子型はC ₂対称性を持っています。2つの椅子型配座間の相互変換は、椅子型→半椅子型→ねじれ舟型→半椅子型′→椅子型′の順序で起こります。

舟形配座 (下図C ) は遷移状態であり、2 つの異なるねじれ舟形配座間の相互変換を可能にする。舟形配座はシクロヘキサンの 2 つのいす形配座間の相互変換に必須ではないが、そのエネルギーは半いす形よりもかなり低いため、ねじれ舟形からいす形に変化するのに十分なエネルギーを持つ分子は、ねじれ舟形から舟形に変化するのに十分なエネルギーも持つため、この相互変換を説明するために使用される反応座標図には舟形配座が含まれることが多い。したがって、ねじれ舟形配座のシクロヘキサン分子が再びいす形配座になる経路は複数ある。

シクロヘキサンでは、2 つの椅子型配座は同じエネルギーを持ちます。置換誘導体では状況はさらに複雑になります。

一置換シクロヘキサンとは、シクロヘキサン環に水素以外の置換基が 1 つあるものである。一置換シクロヘキサンの最もエネルギー的に有利な配座は、水素以外の置換基がエクアトリアル位にある椅子型配座である。これは、1,3 ジアキシャル相互作用による高い立体ひずみを防ぐためである。^[10]メチルシクロヘキサンでは、2 つの椅子型配座異性体は等エネルギーではない。メチル基はエクアトリアル配向を好む。置換基のエクアトリアル配座への好みは、 2 つの椅子型配座間のギブズ自由エネルギー差であるA 値で測定される。A 値が正の場合、エクアトリアル位への好みを示す。A 値の大きさは、重水素などの非常に小さい置換基の場合はほぼゼロから、tert-ブチル基などの非常にかさ高い置換基の場合は約 5 kcal/mol (21 kJ/mol) までの範囲である。したがって、A 値の大きさはエクアトリアル位の好みにも対応する。エクアトリアル置換基には立体歪みを引き起こす1,3-ジアキシャル相互作用はないが、エクアトリアル置換基が隣接するエクアトリアル置換基からの電子密度を反発するゴーシュ相互作用がある。^[10]

1,2-および1,4-二置換シクロヘキサンの場合、シス配置は1つのアキシャル基と1つのエクアトリアル基をもたらす。このような種は、急速で退化した椅子型反転を起こす。1,2-および1,4-二置換シクロヘキサンはトランス配置であり、その高い立体ひずみにより、二軸配座は効果的に防止される。1,3-二置換シクロヘキサンの場合、シス形は二エクアトリアルであり、反転した配座は2つのアキシャル基間の立体相互作用をさらに受ける。トランス-1,3-二置換シクロヘキサンは、シス-1,2-およびシス-1,4-と同様に、2つの同等のアキシャル/エクアトリアル形の間で反転することができる。^[2]

シス-1,4-ジ-tert-ブチルシクロヘキサンは、椅子型配座に軸方向tert-ブチル基を持ち、ねじれ舟型配座に変換すると、両方の基がより有利なエクアトリアル位置に配置されます。その結果、 NMR分光法で測定したところ、ねじれ舟型配座は125 K（-148 °C）で0.47 kJ/mol（0.11 kcal/mol）より安定しています。^[9]

また、二置換シクロヘキサンや、より高度に置換された分子の場合、前述のA値は各置換基ごとに加算されます。たとえば、ジメチルシクロヘキサンのA値を計算する場合、軸位のメチル基は1.70 kcal/molになります。この数値はメチル基に固有のものであり、置換基ごとに異なります。したがって、分子全体のA値は、軸位のメチル基1つあたり1.70 kcal/molです。^[11]

1,3 ジアキシャル相互作用は、シクロヘキサン上の非水素置換基がアキシャル位置を占めるときに発生します。このアキシャル置換基は、3-炭素上のアキシャル置換基と重なり合った位置にあります（このような炭素が 2 つあるため、1,3 ジアキシャル相互作用が 2 つあります）。この重なり合った位置により、シクロヘキサンの立体配座に対する立体ひずみが増加し、立体配座はよりエネルギー的に有利な平衡に向かってシフトします。^[12]

ゴーシュ相互作用は、シクロヘキサン上の非水素置換基がエクアトリアル位を占めるときに発生します。エクアトリアル置換基は、2炭素がそれ自体に対してずれた位置にあります（このような炭素が2つあるため、1,2ゴーシュ相互作用が2つあります）。これにより、約60°の二面角が生成されます。^[13]このずれた位置は、一般的に重なり合う位置よりも好まれます。

もう一度言いますが、単一の水素よりも大きい基（置換基など）の配座と位置は、分子全体の安定性にとって重要です。基が大きいほど、それぞれの炭素上で軸方向の位置を好む可能性が低くなります。大きな基でその位置を維持するには、大きな基の非結合電子対と小さな基（水素など）の電子との間の立体反発のため、分子全体からより多くのエネルギーを消費します。このような立体反発は、エクアトリアル基には存在しません。したがって、シクロヘキサンモデルは、ゴーシュ相互作用に基づいて官能基の立体サイズを評価します。^[14]ゴーシュ相互作用は、関与する置換基のサイズが大きくなるにつれてエネルギーが増大します。たとえば、t-ブチル置換基は、メチル基と比較してより高いエネルギーのゴーシュ相互作用を維持するため、分子全体の不安定性に大きく寄与します。

比較すると、ねじれた配座が好まれる。より大きな基はエクアトリアル位置を維持し、分子全体のエネルギーを低下させる。よりかさばる基の間でエクアトリアル位置が好まれることにより、環の異なる配座間のエネルギー障壁が低下する。分子が活性化されると、より大きな置換基の安定性によりエントロピーが失われる。したがって、大きな分子（メチル基など）によるエクアトリアル位置の優先は分子の反応性を抑制し、分子全体をより安定させる。^[15]

配座平衡とは、シクロヘキサンが最も安定する配座を好む傾向のことである。この平衡は、化合物中の分子と溶媒との相互作用に依存する。極性と非極性は、溶媒が化合物とどの程度相互作用するかを決定する主な要因である。シクロヘキサンは非極性であると考えられており、これは、その結合間に電気陰性度の差がなく、全体的な構造が対称的であることを意味する。このため、シクロヘキサンを極性溶媒に浸すと、溶媒分布が少なくなり、溶媒と溶質との相互作用が乏しいことを意味する。これにより、触媒効果が制限される。^[16]さらに、シクロヘキサンが非極性溶媒と接触すると、溶媒分布が大幅に大きくなり、溶媒と溶質との相互作用が強くなる。この強い相互作用により、触媒効果が高まります。

シクロヘキサンの複素環式類似体は、糖、ピペリジン、ジオキサンなどに広く存在する。それらは一般にシクロヘキサンに見られる傾向、すなわち椅子型配座が最も安定している傾向に従って存在する。しかしながら、アキシャル-エクアトリアル平衡（A値）は、メチレンがOまたはNHに置き換わることで大きく影響を受ける。例としては、グルコシドの配座が挙げられる。^[2] 1,2,4,5-テトラチアン（(SCH ₂ ) ₃）には、シクロヘキサンの不利な1,3-ジアキシャル相互作用がない。その結果、そのねじれ舟型配座が多く存在し、対応するテトラメチル構造である3,3,6,6-テトラメチル-1,2,4,5-テトラチアンでは、ねじれ舟型配座が優勢である。

1890年、ベルリンで28歳の助手だったヘルマン・ザクセ [de]は、紙を折って対称形と非対称形（現在で言う椅子型と舟型）の2種類のシクロヘキサンを表すための手順書を出版した。彼は、これらの形には水素原子の位置が2つあること（これも現代の用語で言うと軸型と赤道型）や、2つの椅子型はおそらく相互変換すること、さらには置換基によっては椅子型のいずれかの形になりやすいこと（ザクセ・モール理論 [de]）まで明確に理解していた。彼はこれらすべてを数学的な言葉で表現したため、当時の化学者で彼の主張を理解する者はほとんどいなかった。彼はこれらのアイデアを何度か出版しようとしたが、化学者の心をとらえることに成功したものはなかった。1893年に31歳で亡くなったことで、彼のアイデアは忘れ去られた。 1918年になって初めて、エルンスト・モール [de]は、当時としては極めて新しい技術であったX線結晶構造解析を用いてダイヤモンドの分子構造が解明されたばかりだった^{[17] [18]}ことに基づき、ザクセの椅子が重要なモチーフであると首尾よく主張することができた。^{[19] [20] [21] [22] [23] [24]} デレク・バートンとオッド・ハッセルは、シクロヘキサンや他のさまざまな分子の配座に関する研究により、1969年のノーベル化学賞を共同受賞した。

シクロヘキサンは、椅子型配座に適応する安定性のため、シクロアルカンの中で最も安定しています。^[4]この配座の安定性により、シクロヘキサンは実験室分析の標準として使用できます。より具体的には、シクロヘキサンは、医薬品化合物および原材料の溶媒分析における医薬品参照の標準として使用されます。この特定の標準は、シクロヘキサンが食品および飲料の品質分析、医薬品の放出試験、および医薬品製造方法の開発に使用されていることを示しています。^[25]これらのさまざまな方法で、製品の純度、生物学的安全性、および生物学的利用能をテストします。^[26]シクロヘキサンの椅子型配座の安定性により、医薬品の安全性と特性に関して、シクロアルカンは多用途で重要な用途に使用されます。

• Colin A. Russell、1975、「コンフォメーション解析の起源」、Van 't Hoff–Le Bel Centennial、 OB Ramsay 編 (ACS シンポジウム シリーズ 12)、ワシントン DC: アメリカ化学会、pp. 159–178。
• William Reusch、2010、「環の配座」および「置換シクロヘキサン化合物」、Virtual Textbook of Organic Chemistry、イーストランシング、ミシガン州、米国：ミシガン州立大学、[2]および[3]を参照、2015年6月20日にアクセス。

• あらゆる形態の Java アプレット 2009-09-02 にアーカイブされた、ナイメーヘン大学のWayback Machineから