“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》
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。
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。
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。
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:
- 能量高低:椅型能量低,船型能量高。
- 对称性:椅型为D3d,船型为C2v。
- 稳定性:椅型构象优于船型构象。
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