알케인과 사이클로알케인 Alkanes and Cycloalkanes

알케인(alkane)은 탄소-탄소 단일 결합과 탄소-수소 결합만으로 이루어진 포화 탄화수소로, 일반식은 $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$이다. IUPAC 명명법에서는 가장 긴 탄소 사슬을 모체(parent chain)로 선택하고, 가지(substituent)의 위치를 번호로 지정한다. 번호는 가지에 가능한 낮은 번호가 부여되도록 배정하며, 같은 가지가 여러 개이면 di-, tri-, tetra- 접두사를 붙인다. 알케인은 비극성이므로 분자 간 인력이 약한 London 분산력에 의존하며, 분자량이 증가할수록 끓는점이 높아진다. Alkanes are saturated hydrocarbons containing only carbon-carbon single bonds and carbon-hydrogen bonds, with the general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$. In IUPAC nomenclature, the longest continuous carbon chain is selected as the parent chain, and substituent positions are designated by numbers. Numbers are assigned to give substituents the lowest possible locants; when the same substituent appears multiple times, prefixes di-, tri-, tetra- are used. Alkanes are nonpolar, relying on weak London dispersion forces for intermolecular attraction, and boiling points increase with molecular weight.

에테인(C2H6)에서 C-C 단일 결합은 자유 회전이 가능하지만, 모든 회전 각도에서 에너지가 같지는 않다. 이면각(dihedral angle) $\phi$에 따른 퍼텐셜 에너지는 $V(\phi) = \frac{V_0}{2}(1 + \cos 3\phi)$로 기술되며, $V_0 \approx 12.5\,\text{kJ/mol}$이다. 이면각이 0도, 120도, 240도인 가림형(eclipsed) 배좌에서 에너지가 극대, 60도, 180도, 300도인 엇갈림형(staggered) 배좌에서 에너지가 극소가 된다. 이 에너지 장벽은 주로 결합 전자 사이의 반발(비틀림 변형, torsional strain)과 수소 원자 사이의 입체 반발에서 비롯된다. In ethane (C2H6), rotation about the C-C single bond is possible but not equally favorable at all angles. The potential energy as a function of dihedral angle $\phi$ is described by $V(\phi) = \frac{V_0}{2}(1 + \cos 3\phi)$, where $V_0 \approx 12.5\,\text{kJ/mol}$. Eclipsed conformations at 0, 120, and 240 degrees are energy maxima, while staggered conformations at 60, 180, and 300 degrees are energy minima. This energy barrier arises primarily from repulsion between bonding electrons (torsional strain) and steric repulsion between hydrogen atoms.

사이클로알케인은 일반식 $\text{C}_n\text{H}_{2n}$을 갖는 고리형 알케인이다. Adolf von Baeyer는 평면 정다각형의 내각과 이상적인 사면체 결합각(109.5도)의 차이에서 발생하는 각도 변형(angle strain)을 제안하였다. 그러나 Baeyer의 예측과 달리, 사이클로헥세인은 의자형(chair) 배좌를 채택하여 각도 변형이 사실상 0이다. 각 고리의 총 변형에너지(strain energy)는 연소열 측정으로 결정할 수 있으며, CH2 한 단위당 변형에너지를 비교하면 사이클로프로페인(약 38.5 kJ/mol)이 가장 크고 사이클로헥세인(약 0 kJ/mol)이 가장 작다. Cycloalkanes are cyclic alkanes with the general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n}$. Adolf von Baeyer proposed angle strain arising from the deviation between the internal angles of a planar regular polygon and the ideal tetrahedral bond angle of 109.5 degrees. However, contrary to Baeyer's prediction, cyclohexane adopts a chair conformation with virtually zero angle strain. Total strain energy for each ring can be determined from heats of combustion; comparing strain per CH2 unit shows cyclopropane has the highest (~38.5 kJ/mol) and cyclohexane the lowest (~0 kJ/mol).

사이클로헥세인의 의자형 배좌에서 12개의 수소는 두 종류로 나뉜다. 6개의 축방향(axial) 수소는 고리 평면에 수직으로 위아래 교대로 배치되고, 6개의 적도방향(equatorial) 수소는 고리 둘레를 따라 약간 기울어져 배치된다. 의자형 뒤집기(chair flip)에 의해 축방향과 적도방향 수소가 서로 교환된다. 치환기가 있는 사이클로헥세인에서 큰 치환기는 1,3-다이엑시얼 상호작용(1,3-diaxial interaction)을 피하기 위해 적도방향을 선호한다. 예를 들어, 메틸사이클로헥세인에서 적도방향 메틸이 축방향보다 약 7.6 kJ/mol 안정하다. In the chair conformation of cyclohexane, the twelve hydrogens are divided into two types. Six axial hydrogens point alternately up and down perpendicular to the ring plane, while six equatorial hydrogens extend around the ring periphery at a slight tilt. A chair flip interconverts axial and equatorial positions. In substituted cyclohexanes, bulky substituents prefer the equatorial position to avoid 1,3-diaxial interactions. For example, equatorial methylcyclohexane is about 7.6 kJ/mol more stable than the axial conformer.