Номер 59, страница 32 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.59. Чему равно примерное значение валентного угла $\angle$CCC в молекулах: а) циклопропана; б) циклогексана? Как данные значения углов связаны с устойчивостью соответствующих циклов?

Атомы углерода в насыщенных циклических углеводородах (циклоалканах) находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Оптимальный, энергетически наиболее выгодный валентный угол для атома углерода в таком состоянии — это тетраэдрический угол, равный примерно $109.5^\circ$. Отклонение реальных валентных углов в цикле от этого идеального значения создает угловое напряжение (также известное как напряжение Байера), которое уменьшает стабильность молекулы.

a) циклопропана

Молекула циклопропана ($C_3H_6$) имеет жесткую плоскую структуру, в которой три атома углерода образуют равносторонний треугольник. Внутренние углы в равностороннем треугольнике равны $60^\circ$. Следовательно, валентный угол $\angle CCC$ в циклопропане равен $60^\circ$.

Это значение очень сильно отклоняется от идеального тетраэдрического угла $109.5^\circ$. Возникающее из-за этого огромное угловое напряжение ($109.5^\circ - 60^\circ = 49.5^\circ$) делает циклопропановый цикл крайне неустойчивым. Чтобы частично скомпенсировать это напряжение, электронные облака, образующие связи C-C, изгибаются наружу, формируя так называемые «банановые связи». Из-за высокой нестабильности циклопропан легко вступает в реакции с раскрытием цикла, что нехарактерно для других алканов.

Ответ: Примерное значение валентного угла $\angle CCC$ в циклопропане равно $60^\circ$. Столь сильное отклонение от идеального угла $109.5^\circ$ обуславливает высокое угловое напряжение и, как следствие, низкую устойчивость и высокую реакционную способность цикла.

б) циклогексана

В отличие от циклопропана, молекула циклогексана ($C_6H_{12}$) не является плоской. Если бы она была плоской, углы в правильном шестиугольнике составляли бы $120^\circ$, что также приводило бы к значительному угловому напряжению. Чтобы избежать этого, шестичленный цикл принимает неплоские, складчатые конформации.

Наиболее стабильной из них является конформация «кресло». В этой пространственной структуре все валентные углы $\angle CCC$ практически в точности равны идеальному тетраэдрическому углу — $109.5^\circ$. Благодаря этому в молекуле циклогексана в конформации «кресло» полностью отсутствует угловое напряжение.

Отсутствие углового напряжения делает циклогексан одним из самых устойчивых циклоалканов, по стабильности он сравним с нециклическими алканами.

Ответ: В наиболее устойчивой конформации («кресло») валентный угол $\angle CCC$ в циклогексане составляет примерно $109.5^\circ$. Это значение практически идеально соответствует тетраэдрическому углу, поэтому циклогексановый цикл не имеет углового напряжения и является очень устойчивым.