ในเคมีอินทรีย์ความเครียดของวงแหวนเป็นความไม่เสถียรชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่อพันธะในโมเลกุลก่อตัวเป็นมุมที่เบี่ยงเบนจากค่าปกติอันเป็นผลมาจากการเป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนความเครียดชนิดนี้มักถูกกล่าวถึงสำหรับวงแหวนขนาดเล็ก เช่นไซโคลโพรเพนและไซโคลบิวเทนซึ่งมุมภายในมีขนาดเล็กกว่าค่าในอุดมคติประมาณ 109° อย่างมาก เนื่องจากความเครียดสูงความร้อนจากการเผาไหม้ของวงแหวนขนาดเล็กเหล่านี้จึงสูงขึ้น^{[ 1 ] [ 2 ]}

ความเครียดของวงแหวนเกิดจากการรวมกันของความเครียดเชิงมุมความเครียดเชิงโครงสร้างหรือความเครียดของพิตเซอร์ (ปฏิกิริยาการบิดตัวแบบบดบัง) และความเครียดข้ามวงแหวนหรือที่รู้จักกันในชื่อความเครียดของแวนเดอร์วาลส์หรือความเครียดของพรีล็อกตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของความเครียดเชิงมุมคือไซโคลอัลเคนขนาดเล็ก เช่น ไซโคลโพรเพนและไซโคลบิวเทน

พลังงานความเครียดของวงแหวนสามารถระบุได้ว่าเป็นพลังงานที่จำเป็นสำหรับการบิดเบือนพันธะและมุมพันธะเพื่อปิดวงแหวน^{[ 3 ]}

การหลีกเลี่ยงหรือลดความเครียดของวงแหวนสามารถช่วยควบคุมหรือเร่งปฏิกิริยาทางเคมีได้

ทฤษฎีความเครียดของวงแหวนได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดยนักเคมีชาวเยอรมัน อดอล์ฟ ฟอน บาเยอร์ ในปี 1890 ก่อนหน้านี้ เชื่อกันว่ามีเพียงความเครียดแบบบิดและแบบสเตอริกเท่านั้น แต่ทฤษฎีของบาเยอร์นั้นตั้งอยู่บนพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ระหว่างความเครียดทั้งสองแบบ ทฤษฎีของบาเยอร์ตั้งอยู่บนสมมติฐานที่ว่าวงแหวนในสารประกอบแบบวงแหวนนั้นแบนราบ และรูปทรงเรขาคณิตที่เรียบง่ายที่จำเป็นสำหรับอะตอมในโครงสร้างระนาบ

ในเวลาเดียวกันนั้นเฮอร์มันน์ ซัคเซตั้งสมมติฐานว่าวงแหวนไม่ได้แบนราบ และอาจมีอยู่ในโครงสร้าง แบบพับหรือบิดอื่น ๆ  ต่อ มา เอิร์นส์ โมห์รได้รวมทฤษฎีทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่ออธิบายความเสถียรของวงแหวนหกเหลี่ยมและความถี่ในการพบในธรรมชาติ รวมถึงระดับพลังงานของโครงสร้างวงแหวนอื่นๆ^{[ 4 ]}

ในแอลเคน การทับซ้อนที่เหมาะสมที่สุดของออร์บิทัลอะตอมเกิดขึ้นที่ 109.5° ซึ่งเป็นมุมที่เหมาะสมทางคณิตศาสตร์สำหรับรูปทรงเรขาคณิตแบบทรงสี่หน้า สารประกอบวงแหวนที่พบได้ทั่วไปมักมีคาร์บอนห้าหรือหกอะตอมในวงแหวน^{[ 5 ]}อดอล์ฟ ฟอน บาเยอร์ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1905 จากการค้นพบทฤษฎีความเครียดของบาเยอร์ ซึ่งเป็นคำอธิบายเกี่ยวกับความเสถียรสัมพัทธ์ของโมเลกุลวงแหวนในปี 1885 ^{[ 5 ]}

ความเครียดจากมุมพันธะเกิดขึ้นเมื่อมุมพันธะเบี่ยงเบนจากมุมพันธะในอุดมคติเพื่อให้ได้ความแข็งแรงของพันธะสูงสุดในโครงสร้างทางเคมี เฉพาะ ความเครียดจากมุมพันธะมักส่งผลกระทบต่อโมเลกุลวงแหวน ซึ่งขาดความยืดหยุ่นเหมือนโมเลกุลที่ไม่เป็นวงแหวน

ความเครียดเชิงมุมทำให้โมเลกุลไม่เสถียร ดังที่ปรากฏในปฏิกิริยาที่สูงขึ้นและความร้อนจากการเผาไหม้ ที่สูงขึ้น ความแข็งแรงของพันธะสูงสุดเกิดจากการทับซ้อนกันอย่างมีประสิทธิภาพของออร์บิทัลอะตอมในพันธะเคมีการวัดเชิงปริมาณสำหรับความเครียดเชิงมุมคือพลังงานความเครียดความเครียดเชิงมุมและความเครียดจากการบิดรวมกันเพื่อสร้างความเครียดของวงแหวนที่ส่งผลต่อโมเลกุลแบบวงแหวน^{[ 5 ]}

${\displaystyle {\ce {C}}_{n}{\ce {H}}_{2n}+{\tfrac {3n}{2}}{\ce {O2}}\longrightarrow n{\ce {CO2}}+n{\ce {H2O}}-\Delta H_{\text{combustion}}}$

พลังงานปกติที่ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบความเครียดของวงแหวนได้นั้น ได้มาจากการวัดความร้อนของการเผาไหม้ต่อกลุ่มเมทิลีน (CH ₂ ) ในไซโคลอัลเคน^{[ 5 ]}

Δ H_{การเผาไหม้}ต่อ CH ₂ − 658.6 kJ = ความเครียดต่อ CH ₂

ค่า 658.6 kJ ต่อโมลได้มาจากแอลเคนสายยาวที่ไม่มีความเครียด^{[ 5 ]}

โดยทั่วไปไซโคลอัลเคนจะมีแรงตึงของวงแหวนน้อยกว่าไซโคลอัลคีน ซึ่งเห็นได้จากการเปรียบเทียบไซโคลโพรเพนและไซโคลโพรพีน^{[ 7 ]}

อัลคีนแบบวงแหวนจะเกิดความเครียดอันเนื่องมาจากการบิดเบี้ยวของอะตอมคาร์บอนที่มีการไฮบริดแบบ sp² ตัวอย่างเช่น_C₆₀^ซึ่งอะตอมคาร์บอนมีโครงสร้างแบบพีระมิด การบิดเบี้ยวนี้ช่วยเพิ่มปฏิกิริยาของโมเลกุลนี้ ความเครียดจากมุมยังเป็นพื้นฐานของกฎของเบรดต์ซึ่งระบุว่าไม่ควรมีอะตอมคาร์บอนที่ตำแหน่งหัวสะพานในอัลคีน เนื่องจากอัลคีนที่ได้จะเกิดความเครียดจากมุมอย่างมาก

ทรานส์-ไซโคลอัลคีนขนาดเล็กมีความเครียดของวงแหวนมากจนไม่สามารถคงอยู่ได้เป็นเวลานาน^{[ 8 ]}ตัวอย่างเช่น ทรานส์-ไซโคลอัลเคนขนาดเล็กที่สุดที่ถูกแยกได้คือทรานส์-ไซโคลออก ที น ทรานส์-ไซโคลเฮปทีนถูกตรวจพบผ่านสเปกโตรโฟโตเมตรีในช่วงเวลาสั้นๆ และทรานส์-ไซโคลเฮกซีนถูกคิดว่าเป็นสารตัวกลางในปฏิกิริยาบางอย่าง ยังไม่มีการค้นพบทรานส์-ไซโคลอัลคีนที่เล็กกว่านี้ ในทางตรงกันข้าม แม้ว่าซิส-ไซโคลอัลคีนขนาดเล็กจะมีความเครียดของวงแหวน แต่ก็มีความเครียดของวงแหวนน้อยกว่าทรานส์-ไซโคลอัลคีนขนาดเล็กมาก^{[ 8 ]}

โดยทั่วไป ระดับความไม่อิ่มตัวที่เพิ่มขึ้นในแอลคีนจะนำไปสู่ความเครียดของวงแหวนที่สูงขึ้น ความไม่อิ่มตัวที่เพิ่มขึ้นนำไปสู่ความเครียดของวงแหวนที่มากขึ้นในไซโคลโพรพีน^{[ 7 ]}ดังนั้น ไซโคลโพรพีนจึงเป็นแอลคีนที่มีความเครียดของวงแหวนมากที่สุดในบรรดาแอลคีนทั้งสองที่กล่าวถึง การผสมไฮบริดและรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกันระหว่างไซโคลโพรพีนและไซโคลโพรเพนมีส่วนทำให้ความเครียดของวงแหวนเพิ่มขึ้น ไซโคลโพรพีนยังมีความเครียดเชิงมุมที่เพิ่มขึ้น ซึ่งมีส่วนทำให้ความเครียดของวงแหวนมากขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม แนวโน้มนี้ไม่ได้ใช้ได้กับแอลเคนและแอลคีนทุกชนิดเสมอไป^{[ 7 ]}

ในโมเลกุลบางชนิด ความเครียดจากการบิดสามารถทำให้เกิดความเครียดของวงแหวนได้ นอกเหนือจากความเครียดจากมุม ตัวอย่างหนึ่งของโมเลกุลดังกล่าวคือไซโคลโพรเพนพันธะคาร์บอน-คาร์บอนของไซโคลโพรเพนทำมุม 60° ซึ่งห่างไกลจากมุมที่ต้องการ 109.5° ในแอลเคน ดังนั้นความเครียดจากมุมจึงมีส่วนทำให้เกิดความเครียดของวงแหวนของไซโคลโพรเพนมากที่สุด^{[ 9 ]}อย่างไรก็ตาม ดังที่แสดงในภาพฉายนิวแมนของโมเลกุล อะตอมไฮโดรเจนจะซ้อนทับกัน ทำให้เกิดความเครียดจากการบิดบางส่วนด้วย^{[ 9 ]}

ในไซโคลอัลเคน คาร์บอนแต่ละอะตอมจะเชื่อมต่อแบบโควาเลนต์ที่ไม่เป็น ขั้ว กับคาร์บอนอีกสองอะตอมและไฮโดรเจนอีกสองอะตอม คาร์บอนเหล่านี้มีไฮบริดไดเซชัน^แบบ sp³และควรมีมุมพันธะในอุดมคติที่ 109.5° อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของโครงสร้างวงแหวน มุมในอุดมคติจึงเกิดขึ้นได้เฉพาะในวงแหวนที่มีคาร์บอนหกอะตอม เช่นไซโคลเฮกเซนในรูปทรงเก้าอี้สำหรับไซโคลอัลเคนอื่นๆ มุมพันธะจะเบี่ยงเบนจากมุมในอุดมคติ

โมเลกุลที่มีความเครียดของวงแหวนสูงประกอบด้วยวงแหวนสาม สี่ และบางวงมีห้าสมาชิก ได้แก่ไซโคลโพรเพนไซโคลโพรพีนไซโค ลบิวเทน ไซโคลบิว ทีน [1,1,1] โพรเพลเลน [2,2,2] โพรเพลเลนอีพอกไซด์อะซิริดีนไซโคลเพนทีนและนอร์บอร์นีนโมเลกุลเหล่านี้มีมุมพันธะ ระหว่างอะตอมของวงแหวนที่แหลมกว่า มุมพันธะแบบเตตระเฮดรัล (109.5°) และแบบไตรโกนัลแพลนาร์ (120°) ที่เหมาะสมสำหรับพันธะ sp³ และ sp² ตามลำดับ^{เนื่องจาก}มุม^{พันธะ}ที่เล็กกว่าพันธะจึงมีพลังงานสูงกว่าและมีลักษณะ p มากขึ้นเพื่อลดพลังงานของพันธะ นอกจากนี้ โครงสร้างวงแหวนของไซโคลโพรเพน/อีน และไซโคลบิวเทน/อีน ยังมีความยืดหยุ่นในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างน้อยมาก ดังนั้น หมู่แทนที่ของอะตอมในวงแหวนจึงอยู่ในโครงสร้างแบบซ้อนทับกันในไซโคลโพรเพน และอยู่ระหว่างโครงสร้างแบบโกชและแบบซ้อนทับกันในไซโคลบิวเทน ซึ่งส่งผลให้พลังงานความเครียดของวงแหวนสูงขึ้นในรูปของแรงผลักแวนเดอร์วาลส์

โมโนไซเคิล

• ไซโคลโพรเพน (29 กิโลแคลอรี/โมล), C ₃ H ₆ — มุมพันธะ CCC คือ 60° ในขณะที่มุมพันธะเตตระเฮดรัล 109.5° เป็นที่คาดหวัง^{[ 6 ]}ความเครียดของมุมที่รุนแรงนำไปสู่การทับซ้อนของออร์บิทัลแบบไม่เชิงเส้นของออร์บิทัล sp ^{3 [ 5 ]}เนื่องจากความไม่เสถียรของพันธะ ไซโคลโพรเพนจึงมีปฏิกิริยามากกว่าแอลเคนอื่นๆ^{[ 5 ]}เนื่องจากจุดสามจุดใดๆ ก็ตามสามารถสร้างระนาบได้ และไซโคลโพรเพนมีคาร์บอนเพียงสามอะตอม ดังนั้นไซโคลโพรเพนจึงเป็นระนาบ^{[ 6 ]}มุมพันธะ HCH คือ 115° ในขณะที่มุมพันธะ 106° เป็นที่คาดหวังเช่นเดียวกับในกลุ่ม CH ₂ของโพรเพน^{[ 6 ]}
• ไซโคลบิวเทน (26.3 กิโลแคลอรี/โมล), C ₄ H ₈ — หากไซโคลบิวเทนเป็นระนาบสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยสมบูรณ์ มุมพันธะของมันจะเป็น 90° ในขณะที่มุมพันธะแบบเตตระเฮดรัล 109.5° เป็นที่คาดหวัง^{[ 5 ]}อย่างไรก็ตาม มุมพันธะ CCC ที่แท้จริงคือ 88° เนื่องจากมีรูปทรงที่พับเล็กน้อยเพื่อลดความเครียดจากการบิดบางส่วนโดยแลกกับความเครียดจากมุมที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย^{[ 5 ]}พลังงานความเครียดสูงของไซโคลบิวเทนส่วนใหญ่มาจากความเครียดจากมุม^{[ 6 ]}
• ไซโคลเพนเทน (7.4 กิโลแคลอรี/โมล), C ₅ H ₁₀ — หากเป็นรูปห้าเหลี่ยมระนาบปกติอย่างสมบูรณ์ มุมพันธะจะมีค่า 108° แต่มุมพันธะแบบทรงสี่หน้าจะมีค่า 109.5° ^{[ 5 ]}อย่างไรก็ตาม มันมีรูปร่างหยักที่ไม่คงที่ซึ่งโค้งขึ้นและลง^{[ 5 ]}
• ไซโคลเฮกเซน (1.3 กิโลแคลอรี/โมล), C ₆ H ₁₂ — แม้ว่าโครงสร้างแบบเก้าอี้จะสามารถบรรลุมุมที่เหมาะสมได้ แต่โครงสร้างแบบครึ่งเก้าอี้ ที่ไม่เสถียร จะมีแรงตึงเชิงมุมในมุม CCC ซึ่งมีช่วงตั้งแต่ 109.86° ถึง 119.07° ^{[ 10 ]}

ไบไซคลิก^{[ 11 ]}

• ไบไซโคล[1.1.0]บิวเทน (66.3 กิโลแคลอรี/โมล), C ₄ H ₆
• ไบไซโคล[1.2.0]เพนเทน (54.7 กิโลแคลอรี/โมล), C ₅ H ₈
• [[ไบไซโคล[1.3.0]เฮกเซน]] (26 กิโลแคลอรี/โมล), C ₆ H ₁₀
• นอร์บอร์เน (16.6 กิโลแคลอรี/โมล), C ₇ H ₁₂

ความเครียดของวงแหวนอาจสูงขึ้นอย่างมากในระบบไบไซคลิกตัวอย่างเช่นไบไซโคลบิวเทน C ₄ H ₆เป็นที่รู้จักในฐานะสารประกอบที่มีความเครียดมากที่สุดที่สามารถแยกได้ในปริมาณมาก พลังงานความเครียดของมันประมาณอยู่ที่ 63.9 kcal mol ⁻¹ (267 kJ mol ⁻¹ ) ^{[ 12 ] [ 13 ]}

ไซโคลโพรเพนมีความเครียดของวงแหวนน้อยกว่าเนื่องจากมีปริมาณความไม่อิ่มตัวน้อยที่สุด ส่งผลให้ปริมาณความไม่อิ่มตัวที่เพิ่มขึ้นนำไปสู่ความเครียดของวงแหวนที่มากขึ้น^{[ 7 ]}ตัวอย่างเช่น ไซโคลโพรพีนมีความเครียดของวงแหวนมากกว่าไซโคลโพรเพนเนื่องจากมีความไม่อิ่มตัวมากกว่า

พลังงานศักยภาพและโครงสร้างพันธะที่เป็นเอกลักษณ์ในพันธะของโมเลกุลที่มีความเครียดในวงแหวน สามารถนำมาใช้ขับเคลื่อนปฏิกิริยาในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ได้ ตัวอย่างของปฏิกิริยาดังกล่าว ได้แก่การเปิดวงแหวนด้วยปฏิกิริยาเมตาธีซิสพอลิเมอไรเซชัน การเปิดวงแหวนไซโคลบิ วที น ด้วย แสง การเปิด วงแหวน แบบนิวคลีโอฟิ ลิ ก ของ อีพอกไซด์และอะซิริดีนและ ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของ ไซโคล อัลไคน์ที่พบใน เคมีคลิกหลายประเภท

พลังงานศักยภาพที่เพิ่มขึ้นจากความเครียดของวงแหวนยังสามารถใช้เพื่อเพิ่มพลังงานที่ปล่อยออกมาจากวัตถุระเบิดหรือเพิ่มความไวต่อแรงกระแทกได้^{[ 14 ]}ตัวอย่างเช่น ความไวต่อแรงกระแทกของวัตถุระเบิด1,3,3-Trinitroazetidineสามารถอธิบายได้บางส่วนหรือส่วนใหญ่จากความเครียดของวงแหวน^{[ 14 ]}

• สเตอริโอเคมีของแอลเคน