環己烷構象
編輯在有機化學中,環己烷構象是指環己烷分子所采用的幾種三維形狀中的任何一種。由于許多化合物都具有結構相似的六元環,因此環己烷的結構和動力學是各種化合物的重要原型。一個規則的、平坦的六邊形的內角是120°,而碳鏈中連續的鍵之間的首選角度約為109.5°,即四面體角(-1/3的弧形余弦)。因此,環己烷環傾向于采取非平面(翹曲)構象,其所有角度都接近109.5°,因此應變能比平面六邊形低。考慮到環周圍從1到6編號的碳原子。如果我們保持碳原子1、2、3不動,用正確的鍵長和兩個鍵之間的四面體角,然后繼續添加碳原子4、5、6,用正確的鍵長和四面體角,我們可以改變序列(2,3,4)、(3,4,5)和(4,5,6)的三個二面體角度。下一個鍵,從原子6開始,也是以二面角為方向,所以我們有四個自由度。但是最后一個鍵必須在原子1的位置結束,這在三維空間中提出了三個條件。如果鏈中的鍵角(6,1,2)也應該是四面體的角度,那么我們就有四個條件。原則上這意味著沒有構象的自由度,假設所有的鍵長都相等,所有的鍵間角度都相等。事實證明,在原子1、2、3固定的情況下,有兩種叫做椅子的解決方案,取決于(1,2,3,4)的二面角是正還是負,這兩種解決方案在旋轉下是一樣的。但也有一個連續的解決方案,一個角度應變為零的拓撲圈,包括扭曲的船和船的構象。這個連續體上的所有構象都有一條貫穿環的二重對稱軸,而椅子構象則沒有(它們有D3d對稱性,有一條貫穿環的三重軸)。正是由于這一連續體上構象的對稱性,才有可能在(1,2,3,4)的二面角范圍內滿足所有四個約束。在這個連續體上,由于與二面角有關的皮策爾應變,能量是變化的。扭曲船的能量比船低。為了從椅形構象到扭舟形構象或其他椅形構象,必須改變鍵角,導致高能量的半椅形構象。因此,相對穩定性是:椅形>扭船形>船形>半椅形。所有的相對構象能量都顯示在下面。在室溫下,分子可以很容易地在這些構象之間移動,但只有椅子和扭船可以以純形式被分離出來,因為其他的構象不在局部能量最小值。如前所述,船形和扭船形構象位于零角應變的連續體上。
如果有取代物允許不同的碳原子被區分開來,那么這個連續體就像一個圓圈,中間有六個船形構象和六個扭船形構象,三個是右手的,三個是左手的。(但如果碳原子是不可區分的,就像環己烷本身一樣,那么沿著這個連續體移動,分子就會從船形變成右旋扭船形,然后回到相同的船形(碳原子的變化),再到左旋扭船形,然后再回到無手性船形。通過船?twist-boat?boat?twist-boat?boat構成了一個假性輪回。
主要構象
編輯不同的構象被稱為構象,是構象和異構體兩個詞的混合。
椅形構象
編輯椅形構象是最穩定的構象體。在298K(25°C),99.99%的環己烷溶液中的所有分子都采用這種構象。其對稱性為D3d。所有的碳中心都是相等的。六個氫中心排列在軸向位置,大致與C3軸平行,六個氫原子位于赤道附近。這些氫原子分別被稱為軸向和赤道側。每個碳都有一個向上和一個向下的氫。因此,連續的碳中的C-H鍵是交錯的,這樣就沒有什么扭轉應變了。當氫原子被鹵素或其他簡單的基團取代時,椅形幾何通常被保留下來。如果我們把一個碳原子想象成一個點,有四個半鍵向四面體的頂點伸出,我們可以想象它們站在一個表面上,其中一個半鍵直直地指向上方。從正上方看,另外三個似乎是朝向一個等邊三角形的頂點向外延伸的,所以這些鍵看起來在它們之間有一個120°的角度。
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