当前课程知识点:有机化学 > 第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃 > 2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象 > 2.3.3.2 环己烷的构象
环己烷构象是环烷烃研究中间
很重要的一个部分
在有机化学的发展历史中间
许多著名的科学家给予很大的贡献
在这些化学家重要贡献的基础上
有机化学中关于环烷烃
尤其是环己烷构象的认识逐渐深入
那么对于环己烷来说
我们首先介绍它的几个典型构象
第一个构象就是最著名的椅式构象
这就是对于环己烷来说一个椅式构象
椅式构象之所以说它是椅式构象
我们可以看作二号碳 三号碳
五号碳 六号碳 就像一个椅子的面
而四号碳是椅子的腿
一号碳是椅子的一个背
所以我们把这种构象叫做椅式构象
而除了二号碳 三号碳 五号碳
在一个平面上
我们还可以从另外一种方式
来把这六个碳原子来分类
它实际上一号碳 三号碳 五号碳
也是在一个平面上
而二号碳 四号碳也是在一个平面上
一三五号碳所在的平面
和二四六号碳在在平面
之间的距离大概是50pm
对于这个分子来说它有一个C3轴
这个C3轴是垂直于一三五号碳
以及二四六号碳所在的平面
围绕这个C3轴旋转360除以3
也就是120度的时候
它的构象是完全复原的
所以我们通常说结构中间有一个C3轴
对于椅式这个结构 它每个碳原子上
都有两个碳氢键
这两个碳氢键
其中一个碳氢键是和这个C3轴是平行的
我们叫它a键
而另外一个碳氢键是和C3轴
处于大约109度28分的
是指向环的外侧
所以我们叫它e键
二号碳也是同样
有一个向上e键 以及向下的a键
每个碳上都有两个这样子的键
那么在继续讲椅式结构之前
要给大家讲一下怎么画椅式结构
通常我们在画椅式结构的时候
尽量让它保证一号碳 三号碳和五号碳
在一个平面上
而二号碳 四号碳 六号碳在一个平面上
我们可以先画两个斜的线
表示中间的碳
而后再把两头的四号碳和一号碳画出来
画好这个以后我们可以画它的a键
一号碳的a键是向上的
三号碳的a键也是指向上的
而五号碳的a键也是指向上的
此外我们就可以画二号碳 四号碳
以及六号碳的a键
二号碳的a键是向下
四号碳a键也是向下
六号碳a键也是向下的
这样子我们就把六个碳上的a键
都画出来了
此外下一步我们就要画e键
画e键的时候我们把右边这六个碳
右边这六个碳的e键
是指向它整个环的右侧
左边这三个碳的e键
是指向环的左侧
我们先画一号碳的e键
一号碳的e键是向下的
斜向下 因为一号碳的a键是向上
那么一号碳的e键是斜向下的
和C3轴大概是等于109度28分
而二号碳上的a键是向下
那么他e键是斜向上的
是指出环外的
那么六号碳上的e键也是斜向上的
是指出环外
类似的我们也可以把三号碳的e键画出来
斜向下 指出环外
四号碳斜向上 指出环外
五号碳斜向下 指出环外
这就是关于椅式结构的画法
以及它上面的a键和e键的画法
那我们在知道椅式结构以后
我们分析一下椅式结构中间
这个构象是否很稳定
我们还是类似的
通过它的角张力 它的扭转张力
和范氏张力来分析
对于环己烷的结构
它的所有的键角都是109度28分
所以它没有角张力
而此外我们看一下
一号碳和五号碳他们之间的距离
是250pm
250pm是远远超过了
两个氢的范氏半径之和
也就是说这两个氢原子之间
没有范氏作用力
那它是否有扭转张力呢
我们画出它的纽曼投影式
我们可以从二号碳看向三号碳
那么与此同时我们也从六号碳
看向五号碳
那么这样子就可以画出它的纽曼投影式
从这个纽曼投影式我们可以看出来
它是处于交叉式的
但是这个交叉式不是一个完全交叉式
它两个大基团之间距离还比较近
所以它是部分交叉式
具有一定的扭转张力
但是有一个比较小的扭转张力
那么从以上的分析我们可以得出结论
椅式构象是一个比较稳定的构象
它既没有角张力又没有范氏力
它只有很小一点的扭转张力
关于环己烷的第二个典型的一个结构
是它的构象是它的船式构象
为什么称它为船式构象呢
在这个构象中间
二号碳 三号碳 五号碳 六号碳
它们四个碳是在一个平面上
就像是在一个船的底面
而一号碳和四号碳是翘上来的
就像是在船头和船尾一样
所以我们称它为船式结构
对于船式结构我们分析一下它的稳定性
也同样从角张力扭转张力和范氏力分析
首先我们看一下范氏力
对于船式结构来说
一号碳和四号碳之间的距离
是183pm
这个距离是远远在我们所说的
氢原子和氢原子的范氏力之内
所以也就是说对于船式结构来说
它存在着一号碳和四号碳之间的相互作用
它存在着一个范氏力
这种范氏力我们叫它旗杆键的相互作用
就好像船头插的旗杆它们之间的相互作用
所以它具有范氏力
那么与此同时它也具有扭转张力
我们也可以类似地从二号碳看到三号碳
与此同时从六号碳看到五号碳
那么这样子也能画出它的纽曼投影式
我们发现这个时候它是重叠式
而且是全重叠式
也就是说两个大的基团一号碳和四号碳
处于完全重叠位置
所以它是重叠式
它有比较强的扭转张力
那当然对于船式结构来说
它一样的 它没有角张力
因为它键角都是109度28分
所以我们可以得出结论
船式这个构象是不太稳定的
因为它有比较强的扭转张力
而且还有比较强的范氏力
那么从船式的结构我们可以看出来
实际上它一个重要的不稳定因素
是二号碳 三号碳 以及五号碳 六号碳
它们在一个平面上
那么就导致了一号碳和四号碳之间
是完全重叠
二号碳和三号碳也完全重叠
五号碳和六号碳也完全重叠
这些全重叠式导致它的构象不稳定
那么在船式基础上
可以做一个相应的变动
这个变动就是让这个船式的底面
就是二号碳 三号碳 五号碳 六号碳
之间发生一个扭转
不让这四个碳在同一个平面上
扭转的过程就是把对面的
二号碳和五号碳向上扭转
三号碳和六号碳向下扭转
那么就形成了一个
我们称它为扭船式的构象
在这个扭船式的构象中间
二三五六这四个碳就不在一个平面上
那么充分缓解了它的一个拥挤状态
那么扭船式会比船式来说
稳定性会提高很多
也就是它能量是比较低的
那么第四个
环己烷中间第四个构象
就叫半椅式构象
所谓半椅式构象它是从椅式构象延伸出来
在半椅式构象中间一号碳 二号碳
三号碳以及四号碳在同一个平面上
也就是说我们把这个构象中间
二号碳向下扭转 三号碳向上扭转
那么就形成了一个新的构象
一二三四 如果从侧面看上去的话
他们是在同一平面上
这种结构我们叫半椅式
他不是一个完全椅子 像是半个椅子
所以我们叫做半椅式
好 通过上面分析我们就可以知道
椅式结构它既没有角张力
又没有范氏力
它只有比较小的扭转张力
所以它最稳定 能量最低
而对于船式结构
它有范氏力 而且有扭转张力
所以它能量比较高
而扭船式它缓解了下面船底面
四个碳之间的一个拥挤状态
所以它能量会偏低
而半椅式它的直接相连的四个碳原子
处在同一个平面上
所以它的稳定性是最差 它的能量最高
那么我们通过它们之间的一个能量关系
可以画出它的能量变化的势能图
那么通过这个势能图 我们可以分析
它的几个极限构象
也就是在能峰和能谷的几个极限构象
我们都能够知道它的代表性的构象
是什么样构象
包括椅式 半椅式 扭船式和船式
而其中椅式构象是能量最低的构象
我们称它为优势构象
这个优势构象决定了
如果我们画一个环己烷结构
或者我们在研究环己烷它发生反应的时候
绝大多数的环己烷
都是以这种椅式的构象来存在
来进一步发生反应的
因此它是它的优势构象
椅式构象之间是可以互相转变的
从其中的一个椅式构象
之外的椅式构象
可以转变成另外一种椅式构象
也就是当这个碳是向下 是一种构象
这个碳向上 是另外一种构象
这两个构象之间是可以互相转变
转变的时候是经过一个半椅式
也就是二号碳向上 三号碳向下
经过一个半椅式
而后继续向上走
再经过一个扭船式
再经过另外一个半椅式以后
就可以实现从一种椅式构象
转变成另外一个椅式构象
它们之间能量变化的是
从能量最低的椅式构象
经过一个能量最高的一个半椅式构象
再经过能量稍微低一点的扭船式构象
同时再经过一个能量很高的半椅式构象
最后得到了另外一种椅式构象
那么就从一种椅式构象
完成了到另外一种椅式构象的变化
请大家注意 当从一种椅式构象
变到另外一种椅式构象的时候
它的a键和e键之间是发生变化的
例如我们看一下
如果从这种椅式构象
原来在一号碳上的向下的a键
当它发生一个构象变化
变成另外一种椅式构象的时候
这个原来向下的这个碳原子
就变成向上的碳原子了
原来向下的这个a键
就变成了斜向下的e键
那么也就是经过一个构象翻转的时候
原来的a键就变成了e键
尽管它的取向不变
但是它从a键变成了e键
这一点提醒大家注意
好 那么这就是我们所介绍的
环己烷的几种构象
谢谢大家
-1.1 概论
--1.1.1 引言
-1.2 有机化学基本知识
-第一章 绪论--1.2 有机化学基本知识
-1.3 有机化合物命名的基本原则
-第一章 绪论--1.3 有机化合物命名的基本原则
-1.4 酸碱理论
-第一章 绪论--第一章章节测试题
-2.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.1 引言
-2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--HW-第二章章节测试题
-3.1 不饱和烃的概述
-3.2. 烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.2. 烯烃的化学反应
-3.3 炔烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.3 炔烃的化学反应
-3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--HW-第三章章节测试题
-4.1 芳烃概论
--4.1 芳烃概论
-4.2 芳烃的分类和命名
-4.3 苯的物理性质
-4.4 苯的结构
-4.5 单环芳烃的化学性质
--4.5.5.6 Friedel-Crafts 烷基化反应
--4.5.5.7 Friedel-Crafts 酰基化反应
-4.6 芳环上亲电取代反应的定位效应
-4.7 稠环芳烃
-4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--HW-第四章章节测试题
-5.1 手性和对称性
-第五章 对映异构--5.1 手性和对称性
-5.2 含一个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.2 含一个不对称碳的化合物
-5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-5.4 环状手性化合物
-第五章 对映异构--5.4 环状手性化合物
-5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--HW-第五章章节测试题
-6.1 卤代烃的概述
--题目要求
-6.2 亲核取代反应
-第六章 卤代烃--6.2 亲核取代反应
-6.3 消除反应
-第六章 卤代烃--6.3 消除反应
-6.4 与金属的反应
-6.5 不饱和卤代烃
-第六章 卤代烃--HW-第六章章节测试题
-7.1 本章引言
-7.2 核磁共振谱
--7.2.2 核磁共振氢谱——7.2.2.4 氢谱的基本解析
-7.3 质谱
-7.4 红外光谱
--7.4.2 红外光谱与分子结构——7.4.2.1 特征官能团的红外吸收
-7.5 有机波谱综合解析
-第七章 波谱分析在有机化学中的应用--HW-第七章章节测试题
-8.1 引言
--8.1引言
-8.2 醇
-第八章 醇酚醚--8.2 醇
-8.3 酚
-第八章 醇酚醚--8.3 酚
-8.4 醚
-第八章 醇酚醚--8.4 醚
-第八章 醇酚醚--HW-第八章章节测试题
-9.1 引言
--9.1 引言
-第九章 醛和酮--9.1 引言
-9.2 醛、酮的物理性质
-第九章 醛和酮--9.2 醛、酮的物理性质
-9.3.1 醛、酮的反应概述
-9.3.2 醛、酮的亲核加成
-第九章 醛和酮--9.3.2 醛、酮的亲核加成
-9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-第九章 醛和酮--9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-第九章 醛和酮--9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-第九章 醛和酮--9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-9.5 醛、酮的制备
-第九章 醛和酮--HW-第九章章节测试
-10.1 概论
--10.1 概论
-10.2 羧酸的结构、分类和命名
-10.3 羧酸的物理性质和波谱特征
-10.4 羧酸的化学性质
-10.5 羧酸衍生物的结构与命名
-10.6 羧酸衍生物的物理性质和波谱特征
-10.7 羧酸衍生物的化学性质
-10.8 羟基酸的分类和命名
-10.9 羟基酸的化学性质
-10.10 β-二羰基化合物
-10.11 α-卤代酸及其衍生物
-10.12 羧酸的制备
-10.13 专题:油脂 蜡 磷脂
-11.1 绪论
--本章引言
-11.2 胺
--11.2.1
--11.2.2
--11.2.3.1
--11.2.3.2
--11.2.3.3
--11.2.3.4
-11.3 硝基化合物
-11.4 腈
-11.5 异腈
-11.6 重氮化合物
-11.7 偶氮化合物
-11.8 本章小结
-12.1 杂环化合物概述
--12.1概述
-12.2 吡咯、呋喃、噻吩
-12.3 吲哚 (苯并吡咯)
-12.4 吡啶
-12.5 喹啉、异喹啉 (苯并吡啶)
-12.6 含氧六元杂环
-12.7 多杂原子五元环、六元环介绍
-第十二章 杂环化合物--HW-第十二章章节测试题
-13.1 有机合成基础-part 1
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 1
-13.1 有机合成基础-part 2
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 2
-13.2 重排反应在实际有机合成中的应用
-13.3 碳水化合物-part 1
-13.3. 碳水化合物-part 2
--13.3.3.4 单糖的反应——醛糖的递升与递降反应及酮糖的特殊反应
-13.3. 碳水化合物-part 3
-13.3 碳水化合物-part 4
-13.4 氨基酸与多肽
-期中考试--二、 选择题
-期中考试--一、判断题
-期末考试--期末考试试题