环己烷结构式和构造式,环己烷结构式

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-03-30 22:16:25

“椅型构象”和“船型构象”是有机化学中的术语,最具代表性的分子就是环己烷。这两种构象是存在于环己烷分子的两种不同结构,但根据其结构的能量,它们具有不同的稳定性。


在环己烷分子中,碳原子是四面体结构,碳原子之间以单键相连,键角是109.5°,因此分子中的六个碳原子不可能形成平面形的环,而只能形成折曲式的环,在这种环中的其中两种排列方式,分别称为椅型构象和船型构象。在椅型构象中,若使C-2、C-3、C-5和C-6处于同一水平面内,则C-1和C-4分别处于该平面的上面和下面,整个分子像“椅子”,故称椅型构象。它是非平面形的,键角109.5°,故没有角张力。

——权威出处: 《实用有机化学辞典》

环己烷结构式和构造式,环己烷结构式(1)

图为:环己烷椅型结构

什么是椅型?

椅型构象是环己烷最稳定的结构,这是因为该构象下它能量最低。通常,在室温下(约25°C),所有环己烷分子均以椅型构象存在。如果在此温度下同一化合物存在不同结构的混合物,则大约99%的分子会转化为椅型构象,考虑到此分子的对称性,我们可以将其归纳为D3d,所有碳中心都是等效的。

环己烷结构式和构造式,环己烷结构式(2)

图为:环己烷的椅型构象

在轴向位置上有六个氢原子,其他六个氢原子几乎垂直于对称轴(水平面)。如果考虑碳原子,则每个碳原子都包含两个氢原子:一个氢原子“向上”,另一个氢原子“向下”。由于C-H键处于交错构型,几乎没有扭转应变。


什么是船型?

船型构象是环己烷的不稳定结构,因为该结构具有高能量。由于两个"船角"氢之间的相互作用,该结构中存在相当大的空间应变,并且还存在相当大的扭转应变。这些应变还导致船型的不稳定性质。该结构的对称性称为C2v。环己烷的四种构象如下图所示:A为椅型、B为扭船型、C为船型、D为半椅型。

环己烷结构式和构造式,环己烷结构式(3)

图为:不同能量下环己烷构象

同时,船型趋向于自发地转变成扭船型,它的对称性是D2。这种结构表现为轻微扭曲的船型。将环己烷快速冷却,可将船型构象转变为扭船型构象,加热后其会转变成椅型构象。

船型构象与椅型构象区别

船型构象与椅型构象之间的主要区别是椅型能量低,而船型能量高。由于这个原因,椅型结构比船型稳定。通常,椅型是环己烷最稳定的构象,在室温下,约99%都以椅型构象存在。

另外,椅型构象的对称性为D3d,船型构象的对称性为C2v,船型趋向于自发地转变成船扭船型。但是,这两种结构在加热时都倾向于转变为椅型构象结构。船型与椅型之间的另一个区别是,椅型的扭转应变和位阻低于船型。简单概括为:


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