当前课程知识点：有机化学（上） > 第二章 饱和烃 > 2.1.2 烷烃的结构和构象 > 烷烃的结构和构象
上节课我们学习了烷烃的命名
这次课来学习烷烃的结构和构象异构
先来看烷烃的结构
在第1章绪论里面
利用杂化轨道理论解释了
甲烷四面体的结构
同学们想一下
我们怎样从杂化轨道理论
来解释甲烷分子的正四面体结构的呢
近代物理方法测定
甲烷分子为一正四面体结构
碳原子位于正四面体中心
四个氢原子位于正四面体的四个顶点
四个碳氢键的键长为0.109nm
键能为414.9 kJ/mol
所有H-C-H的键角都是109.5度
甲烷分子的正四面体结构如图所示
我们如何从杂化轨道理论
来解释甲烷分子的正四面体结构呢
碳原子的最外层电子是
2s²
2p²
电子激发以后
成为这样
那么碳原子的1个s轨道
和3个p轨道杂化成了
4个sp³杂化轨道
其中每一轨道含1/4s成分
和3/4p成分
这四个杂化轨道的角度分布的极大值
分别指向正四面体的四个顶点
在形成甲烷分子中
四个氢原子的轨道沿着碳原子的
四个杂化轨道的对称轴方向接近
实现最大程度的重叠
形成四个等同的C-Hσ键
同学们看一下我手中的乙烷的球棍模型
有机分子中由于围绕C-C键可以自由旋转
那么在旋转过程中
由于分子中的原子
或基团的相对位置不断发生变化
就形成了许多不同的空间排列方式
这种仅仅由于围绕单键旋转
而引起的分子中原子
或基团在空间的不同排列方式称为构象
下面我们来学习烷烃的构象
看乙烷的构象
乙烷分子中有6个C—H σ键
1个C—C σ键
H－C－C键角是109°28′
H－C－H的键角稍有变化
由于σ键可以自由旋转
若沿着键轴旋转
就C—C键旋转
两个碳上氢原子的相对位置将发生变化
在空间可以出现无数个形态
这种由于碳碳单键的旋转
使原子或基团在空间的排布不同
而出现无数个形态
被称为构象
构象通常是不能分离得到的
它们在不断地相互转化着
相互间达成动态平衡
只有在接近绝对零度的低温时
才可能得到最稳定的构象
在乙烷分子中固定一个甲基
我固定前面甲基
σ键轴旋转
两个甲基中的氢的相对位置
就会不断发生改变
产生各种不同的构象
其中两种极端的构象是重叠式和交叉式
我们看乙烷的交叉式和重叠式
两个碳原子上的氢
相对正重叠的构象称为重叠式
两个碳原子上的氢互相交错到
尽可能远的构象称为交叉式
室温下乙烷分子主要以交叉式构象存在
这种最稳定的构象称为优势构象
那么构象如何表示呢
也就是说如何画呢
每一种构象都可以用三种透视图来表示
伞形式是眼睛垂直于C-C键轴方向
实线表示键在纸面上
虚的楔形线表示键伸向纸面后方
比如这是纸面
实楔形线表示键伸向纸面前方
那么锯架式
是从C-C键轴斜45°方向看
每个碳原子上的其他三根键夹角均为120°
我们在画的时候
无论是重叠式还是交叉式
注意前后表示键的线段彼此平行
比如这根和它平行
这根线和它平行
这根和它平行
下边是同样的
那么Newman投影式
是从C-C键的键轴上看
它表达了从分子模型
碳碳键轴正前方观察到的形象
后面的碳原子用圆圈表示
这圆圈表示后面的碳原子
前面的碳原子
用三个等长线段的交点来表示
两线段间夹角为120°
在重叠型中
由于C₂上的氢
C₂上的氢与C₁上的氢是重叠的
应该看不到
但为了表示出来
我们画的时候稍偏一个角度
室温下分子热运动
具有的能量60到80 kJ/mol
因此室温下两种构象可以互相转换
由于从低能态到高能态转换时要克服能叠
所以C—C σ键的旋转不是完全自由的
我们再来看丁烷的构象
这是乙烷
我现在把这两个小白球
换成黑的 这表示甲基
那么它是什么呢
这就是丁烷
我们再看丁烷的构象
丁烷分子中有四个碳原子
它的构象问题比乙烷要复杂得多
我可以沿着这两个轴
C₁ C₂转
也可以沿着C₂ C₃转
也可以沿着C₃ C₄这么转
它都存在着构象问题
那我们就讨论沿着C₂ C₃
自由旋转所产生的构象
可以将其看作是乙烷分子中两个碳
各有一个氢被甲基取代
其中极端的构象有四种
对位交叉式
部分重叠式
邻位交叉式
全重叠式
由于各构象间
最大的能量差为25kJ/mol
所以在室温下仍可通过σ键的旋转
形成一个平衡混和物
最稳定的对位交叉式约占68%
较稳定的邻位交叉式次之
占32%
由于甲基与甲基间的范德华斥力
全重叠式极不稳定
室温时含量最少
构象异构体由于相互转换得很快
一般条件下
不能分离开来
因此不成为构型异构体
可以设想
若欲分离
必须降低分子热运动的能量
即降低平均的碰撞能量
因此不是在常温下而应该是在低温条件下
由于σ键的旋转
不同构象的客观存在
因此
长链烷烃中的链
不应该是直线形的而是锯齿形的
这里不再一一介绍了
从烷烃σ键的特点可以看到
电子云呈轴对称
具有可旋转性
重叠程度高
键较牢固
本次课主要学习立体异构中的构象异构
立体异构
由于原子在空间的排列不同而引起的异构现象
若各异构体之间可通过σ键旋转转化
则为构象异构
构造异构
由于原子的连接次序不同而引起的异构现象
下面我们练习一道题
下面各对化合物哪一对是等同的
哪一对是不等同的
不等同的属于何种异构
a属于构象异构
b属于构造异构
c属于构象异构
d属于等同的
这次课我们就到这里
-1.1 课程概要
--课程概要
--课程概要
--课程概要
-1.2 结构理论
--结构理论
--结构理论
--结构理论
-1.3 反应历程
--反应历程
--反应历程
--反应历程
-1.4 电子效应
--电子效应
--电子效应
--电子效应
-1.5 酸碱理论
--酸碱理论
--酸碱理论
--酸碱理论
-2.1.1 烷烃的命名
--烷烃的命名
--烷烃的命名
--烷烃的命名
-2.1.2 烷烃的结构和构象
--烷烃的结构和构象
--烷烃的结构和命构象
--烷烃的结构和构象
-2.1.3 烷烃的性质
--烷烃的性质
--烷烃的性质
--烷烃的性质
-2.1.4 烷烃的卤代反应历程
--烷烃卤代反应历程
--烷烃卤代反应历程
--烷烃卤代反应历程
-2.2.1 环烷烃分类和命名
--环烷烃的分类和命名
--环烷烃分类命名
-2.2.2 环烷烃的性质
--环烷烃的性质
--环烷烃的性质
--环烷烃的性质
-2.2.3 环烷烃的结构及构象
--环烷烃的结构和构象
--环烷烃的构象
-饱和烃
-3.1.1 烯烃的结构
--烯烃的结构
--烯烃的结构
--烯烃的结构
-3.1.2 烯烃的命名
--烯烃的命名
--烯烃的命名
--烯烃的命名
-3.1.3.1烯烃的性质（一）
--烯烃的性质（一）
--烯烃的性质（一）
--烯烃的性质（一）
-3.1.3.2烯烃的性质（二）
--烯烃的性质（二）
--烯烃的性质（二）
--烯烃的性质（二）
-3.1.3.3 烯烃的性质（三）
--烯烃的性质（三）
--烯烃的性质（三）
--烯烃的性质（三）
-3.1.3.4 烯烃的性质（四）
--烯烃的性质（四）
--烯烃的性质（四）
--烯烃的性质（四）
-3.1.3.5 烯烃的性质（五）
--烯烃的性质（五）
--烯烃的性质（五）
--烯烃的性质（五）
-3.1.4 烯烃的制法
--烯烃的制法
--烯烃的制法
--烯烃的制法
-3.2.1-3.2.2 炔烃的结构命名和物理性质
--炔烃的结构命名和物理性质
--炔烃的结构命名
-3.2.3 .1 炔烃的化学性质（一）
--炔烃的化学性质（一）
--炔烃的性质（一）
-3.2.3.2 炔烃的化学性质（二）
--炔烃的化学性质（二）
--炔烃的性质（二）
-3.3.1 二烯烃的分类和命名
--二烯烃的命名
-3.3.2 1，3-丁二烯的结构
--1,3-丁二烯的结构
-3.3.3 共轭二烯烃的性质
--共轭二烯烃的性质
--共轭二烯烃的性质
--二烯烃的性质
-3.3.4共振论
--共振论
--共振论
--共振论
-不饱和烃
-4.1芳烃的分类和命名
--芳烃的分类和命名
--芳烃的分类和命名
--芳烃分类命名
-4.2 苯的结构
--苯的结构
--苯的结构
--苯的结构
-4.3.1 单环芳烃的化学性质（一）
--单环芳烃的化学性质（一）
-4.3.2 单环芳烃的化学性质（二）
--单环芳烃的化学性质（二）
-4.4.1亲电取代定位规律（一）
--亲电取代定位规律（一）
-4.4.2 亲电取代定位规律（二）
--亲电取代定位规律（二）
--定位规律2
-4.5 稠环芳烃（萘）
--稠环芳烃（萘）
--稠环芳烃（萘）
--萘
-4.6 非苯芳烃
--非苯芳烃
--非苯芳烃
--非苯芳烃
-芳香烃
-5.1 同分异构现象
--5.1 同分异构现象
-5.2 分子手性和对称因素
--分子手性和对称因素
-5.3 对映体与旋光性
--对映体与旋光性
-5.4 构型的表示和标记方法
--构型的表示和标记方法
-5.5 含手性碳化合物的立体异构
--含手性碳化合物的立体异构
-5.6 不含手性碳化合物的立体异构
--不含手性碳化合物的立体异构
-5.7 反应的立体化学
--反应的立体化学
-立体化学
-6.1 卤代烃的命名和制备方法
--卤代烃的命名和制备方法
-6.2 卤代烃的化学性质
--卤代烃的化学性质
-6.3 单分子亲核取代反应
--单分子亲核取代反应
-6.4 双分子亲核取代反应
--双分子亲核取代反应
-6.5 消除反应
--6.5 消除反应
--消除反应
-6.6 卤代烯烃和芳烃
--卤代烯烃和芳烃
-6.7 习题
--6.7 习题
--习题
-卤代烃
-有机化学（上）