环烷烃(环丙烷环丁烷环戊烷环己烷)的构象

环烷烃的构象
链状化合物的构象是由基团绕C—Cσ键旋转产生的；而环状化合物的构象至少涉及到两个C—Cσ键和其键角的转动和变化，有时还涉及到键长和键角的变化，比较复杂，常称环的翻转。

一、环丙烷的构象
环丙烷是三个碳的环，只能是平面构象，即它的构型。

尽管只有一种构象，但这个环极不稳定，主要因为：
１、所有C-H键都是重叠构象，扭转张力大。

２、C原子是不等性杂化或弯曲键，有“角张力”存在。

二、环丁烷的构象
环丁烷有两种极限构象：动画演示：
平面式构象：象环丙烷一样，不稳定，存在扭转张力和“角张力”。

蝶式构象：能缓解扭转张力和角张力，呈蝶式构象。

通过平面式构象，由一种蝶式翻转成为另一种蝶式构象，处于动态平衡。

蝶式是优势构象。

也有扭转能力和角张力存在。

三、环戊烷的构象
环戊烷的构象主要是信封式和半椅式构象。

两者处于平衡。

因为平面构象能量较大，一般认为环戊烷采取这种构象可能性很少。

E相对=19kJ/mol 信封式
半椅式
四、环己烷的构象
环己烷的构象经过近百年的努力才建立起来。

Baeyer 1885年提出张力学说，认为环状化合物是平面构型
Sachse 1889年质疑张力学说只适合小环，提出环已烷有船式、椅式两种构象。

Hassel 1930年利用偶极矩测定法和电子衍射法研究环已烷构象，∠CCC=109.5°，气相、液相中环已烷几乎全是椅式构象。

Barton 1950年发展了构象理论，以甾族化合物为对象提出构象分析，把构象分析明确地引入有机化学中。

Hassel 和Barton获1969年Nobel化学奖
１、椅式和船式构象
环已烷保持碳原子的109．5°键角，提出了椅式和船式构象.
1）椅式构象：C1、C2、C4、C5在一个平面上，C6和C3分别在平面的下面和平面的上面，很象椅脚和椅背，故称“椅式”。

2）船式构象：C1、C2、C4、C5在一个平面上，C3和C6在平面上面。

形状象只船，C3和C6相当船头和船尾，故称“船式”。

在椅式构象中,从透视式和纽曼式中可以看到：相邻的两个碳上的C—H 都是交叉式构象，非键合的氢间最近距离0.25 nm，大于0.24 nm（正常非键合氢之间的距离）。

C原子的键角109.5°。

无各种张力，是优势构象，在平衡构象中约占99.9%
环己烷的椅式构象
在船式构象中，船底上四个 C 中C1 和C2 ，C4 和C5 是重叠构象，有扭转张力，船头上两个伸向船内的氢（旗杆键上氢）相距0.183nm，小于正常非键合氢原子间距离
(>0.24nm)，有非键张力，它的能量比椅式高30kJmol-1。

环己烷的船式构象
2．扭船式和半椅式构象。

1）扭船式构象：
将船式构象的碳扭转约30°，变成扭船式：
环己烷的扭船式构象
与船式相比：旗杆键的氢非键张力减少；比船式构象的能量低7kJmol-1
2）半椅式构象
把椅脚的碳C6向上提，与C1、C2、C4、C5 成一个平面，变成半椅式构象。

环已烷半椅式构象
与椅式构象相比：C2、C1、C6、C5、C4有扭转张力。

有角张力。

比椅式能量高46kJmol-1 3.环的翻转
当由一种椅式翻转成另一种椅式构象时，要经过两个半椅式，两个扭船式和一船式等构型：
环已烷椅式翻转能量图
4.平伏键与直立键
环已烷的椅式构象中，六个碳原子分别在两个平行的平面中。

C1、C3、C5在上面的平面中，C2、C4、C6在下面的平面中。

环己烷环有一个三重对称轴，垂直于两平面。

1)直立键：每个碳上有一根与轴平行的C—H 键，称直立键，也称竖直键（a键）。

有三根向上，三根向下。

2)平伏键：每个碳上有一根与平行平面成19°角的C—H 键称平伏键，也称水平键（e键）。

有三根向上偏19°，三根向下偏19°。

3)环的翻转：当从一种椅式构象翻转成另一种椅式构象时，平伏键转变成直立键，直立键变成平伏键。

这种翻转在室温下很迅速，用NMR谱测不出翻转，随着温度的降低，环翻转变慢，可用NMR谱跟踪，当温度降到-63°C时，可以看到a 键上H和e 键上H分开的信号。

-89°C 时环翻转很慢，这时可清楚测到a键上H和e键上H。

５.取代环已烷的构象。

1)一取代环已烷：有取代基R在a键上，也在e键上两种构象。

在e键上的构象稳定，因为，R在e键上相应的是对位交叉构象，在a键上是邻位交叉构象。

随着R基团的增大，在e键上的构象比例也增加。

R在a键和e键
2)二取代环已烷：二取代基的情况有几种取代位置，还有顺反关系。

一般是大取代基在e 键上的是稳定构象。

立体化学研究环已烷衍生物性质时，经常引入一个叔丁基，此时叔丁基在 e 键的构象稳定，环不易再翻转，称为“锁住”效应。

反式-4-甲基-1-叔丁基环己烷构象顺式-4-甲基-1-叔丁基环己烷构象
3)多取代基环已烷：
在确定多取代环已烷的构象时，一般是大取代基在 e 键上多个取代基在 e 键上的构象稳定。