4.1 いす形および舟形シクロヘキサン
4.1 いす形および舟形シクロヘキサン
かつてシクロヘキサン（図4.1.1-1）をはじめとする脂環式炭化水素、シクロアルカンはすべてベンゼンと同しく平面構造（下図参照）をとると考えられた。炭素の結合角は正四面体角(109°28′)であるから，この考えによると、平面構造をとるためには本来の結合角をひずませる必要があり、シクロペンタン以外のシクロアルカンは多かれ少なかれひずみのエネルギーによって不安定になっている（Baeyerの張力説）。またこの考えによればシクロペンタンが最も安定で、シクロヘキサンがそれに続いて安定である。
図4.1.1
図4.1.2
Baeyerの張力説は、たとえばシクロプロパンの高い反応性（容易に開環する）をよく説明する。しかし、シクロヘキサンは必ずしも平面構造をとらなくてもよいこと、むしろ非平面構造をとれば正四面体角の結合角を保つことができることなどが次第に明らかになってきた。環構造をとっているため、シクロヘキサンが取りえる形は対応する直鎖化合物ヘキサンに比べてはるかに限定されている。
それにしてもシクロヘキサンの炭素－炭素単結合の回転によって環はべこべこする。この環の動きはシクロヘキサン（図4.1.1-1）の任意の連続した４個の炭素、たとえばC1-C2-C3-C4（図4.1.1-2）をプタンの場合と同様にねじれ角を見積もることによって記述できる。これらは分子模型で容易に確認することができる。
シクロヘキサンのC1～C4ブタン類似単位のねじれ角－エネルギー関係はブタンのそれに一致するとすれば，ねじれ形（図4.1.3-3）のほうが重なり形（図4.1.3-4）よりも安定のはずである。したがってねじれ形６単位（通常ブタン・ゴーシュ形という）を含むシクロヘキサンは、その結合角がすべて正四面体角で、しかも最も小さいポテンシャルエネルギーを持つ分子である。
図4.1.3
図4.1.4-5と5'に示したような形のシクロヘキサンはいす（chair）形シクロヘキサンと呼ばれる。ブタン類似単位がアンチペリプラナー配座を取りえないから、いす形シクロヘキサンは最安定形のシクロヘキサンと考えられる。炭素のすべての結合角が正四面体角を持つシクロヘキサンには、いす形だけではなく、舟（boat）形（図4.1.4-6または6'）もある。
図4.1.4
いす形シクロヘキサンの１２個の水素原子に注目しよう。各炭素原子からのびている２本のC-H結合のうち１本は、６個の炭素原子がつくる擬和平面に対して垂直、１本はその平面に平行である。シクロヘキサンの炭素骨格を地球の赤道と対応させ、赤道面に垂直な結合をアキシアル（axial）結合、赤道面に平行な結合をエカトリアル（equatorial）結合、それに結合した原子または原子団（たとえば水素原子）をアキシアル原子、エカトリアル原子などという。
図4.1.5
いす形シクロヘキサンには２つの書き方がある。１つは5または5'のようにC2-C3-C5-C6のつくる面が水平になるように書く書き方で、舟形シクロヘキサンと比較するときに便利である。これに対して9および10で示した書き方は、C2-C3-C5-C6のつくる面を少しかたむけ、そのかわりアキシアル結合が垂直になるようにする。アキシアル結合・エカトリアル結合が問題となるとき便利である。