Введение
Когда молекула деформируется от своей конформации с наименьшей энергией под действием приложенного напряжения,
в химии молекула испытывает напряжение, когда ее химическая структура подвергается воздействию, повышающему ее внутреннюю энергию по сравнению с эталонным соединением, свободным от напряжения. Внутренняя энергия молекулы включает в себя всю запасенную в ней энергию. Напряженная молекула обладает дополнительным количеством внутренней энергии, которой не обладает ненапряженная молекула. Эта дополнительная внутренняя энергия, или энергия деформации, аналогична сжатой пружине. Подобно сжатой пружине, которую необходимо удерживать, чтобы предотвратить высвобождение потенциальной энергии, молекула может удерживаться в энергетически неблагоприятной конформации за счет связей внутри этой молекулы. Без связей, удерживающих конформацию, энергия деформации будет высвобождена.
Определение молекулярного напряжения
Стандартная теплота образования (ΔfH°) соединения определяется как изменение энтальпии при образовании соединения из его элементов в разобщенном состоянии. Если теплота образования соединения отличается от расчетного значения или значения для референтного соединения, это различие часто объясняется наличием напряжений. Например, ΔfH° для циклогексана составляет 29,9 ккал/моль, а ΔfH° для метилциклопентана – 25,5 ккал/моль. В частности, ван-дер-ваальсовым напряжением считается форма напряжения, при которой взаимодействующие атомы находятся на расстоянии не менее четырех связей друг от друга. Величина стерического напряжения в подобных молекулах зависит от размера взаимодействующих групп: объемные трет-бутильные группы занимают значительно больше пространства, чем метильные группы, и часто испытывают более сильные стерические взаимодействия. Влияние стерического напряжения на реакцию триалкиламинов и триметилборана было изучено нобелевским лауреатом Гербертом К. Брауном и соавторами. Они обнаружили, что с увеличением размера алкильных групп в амине постоянная равновесия также уменьшается. Смещение равновесия объяснялось стерическим напряжением между алкильными группами амина и метильными группами бора.
Син-пентанный штамм
Существуют ситуации, когда, казалось бы, идентичные конформации имеют разную энергию деформации. Штамм син-пентана является примером такой ситуации. Существует два различных способа расположить обе связи центрального атома углерода в n-пентане в гауш-конформацию, один из которых на 3 ккал/моль энергетически более выгоден, чем другой.
Трансанаулярный штамм
Кольца среднего размера (7–13 атомов углерода) испытывают большее напряжение, чем циклогексан, главным образом из-за отклонения от идеальных валентных углов, или напряжения Питцера. Расчеты молекулярной механики показывают, что трансаннулярное напряжение, также известное как напряжение Прелога, не играет существенной роли. Однако хорошо известны трансаннулярные реакции, такие как 1,5-перегруппировки в реакциях замещения циклооктана.
Велосипедные системы
Количество энергии деформации в бициклических системах обычно равно сумме энергии деформации каждого отдельного цикла.