构象异构现象

，产生无数个
构象异构体，其中有两个典型构象异构体，称为极限构象异
构体——重叠式（顺叠式）构象、叉式（反叠式）构象。
重叠式构象
交叉式构象
构象异构体的表示：三维结构；锯架结构和纽曼投 影式
H
H
H H
H H
三维结构
H
HH H
H
H
H HH HH H
锯架式结构
HH H
H
HH
H H
H
三维结构
H H
H
H H
H
H3C CH3
H H
H H
全重叠式
(顺叠式)
C H3
H
H
H
H
C H3
对位交叉式
(反叠式)
C H3
H
C H3
H
H
H 邻位交叉式
(顺错式)
H CH3
H
H H
C H3
部分重叠式
(反错式)
H CH3
H H
HCH3
部分重叠式
(反错式)
C H3
C H3
H
H
H
H
邻位交叉式 (顺错式)
丁烷有四种极限构象，其热力学能及动态平衡中各异 构体含量如下：
全重叠式 部分交叉式 部分重叠式 对位交叉式
热力学能 18.8
3.7
15.9
0
/kJ·mol-1
室温下含 ≈0
18
≈0
72
量/%
丁烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：
E 能量
H3C C H3
C H3 C H3
H C H3 H C H3
H C H3
H3C H
15.9
C H3 C H3
C H3
H3C C H3
5.分子构象的作用
构象影响分子间作用力等，因而影响化合物的性 质（如熔点）和反应机理。
注意：
这里讨论是链烷烃的构象，在分析其他类化合物
构象时，在相邻碳原子上连有可形成氢键的基团
时，会改变构象。
例：CH2Cl—CH2OH的稳定构象是
邻位交叉式。
因为氢键的能量远大于稳定构象的能量。
二、环烷烃的构象
1.环丙烷的构象
稳定构象：在一系列构象中能量最低（最稳定、 存在时间最长或出现几率最大）的构象称为稳 定构象，又称为优势构象。如乙烷的交叉式构 象；环己烷的椅式构象。 构象分析：
构象异构产生的原因：
由于以σ键 连接的两个原子可以相对的自由旋转， 从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式。
2.乙烷的构象
乙烷分子绕C—C σ 键旋转
椅型构象：C1、C2、C4、C5在一个平面上， C6和C3分别在平面的下方和平面的上 方，很象椅脚和椅背，故称“椅型”。
椅型构象
船型构象 动画
在椅型构象中,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%。
18.8 kj.mol-1 3.7
C H3
-
-
0
60 120 180 240 300
360
旋转角度
由此可见：丁烷四种典型构象能量的高低顺序是： 全重叠式 ＞ 部分重叠式 ＞ 邻位交叉式 ＞ 反交叉式
结论：反交叉式是丁烷的优势构象
（又称：最稳定构象）
反交叉式构象稳定的原因(即构象分析）：
在对位反交叉式构象中，扭转张力最小，两个 大基团（CH3）相距最远，非键张力（范德华排 斥力）最小，能量最低，是优势构象；其次是部分 交叉构象，能量较低；再次是部分重叠构象，能量 较高；能量最高的是全重叠式构象，其σ键电子对 扭转张力最大，两个大基团相距最近，非键张力也 最大，是最不稳定构象。
提出环己烷有船型、椅型两种构象。
(1) 椅型和船型构象
环己烷保持碳原子的109.5°键角，提出了椅型和船型 构象。
0.18 nm
4
1
56
3
2
船式构象
椅式结构
4
H
3
5
H
H
2
16
H
HH
HH
纽曼投影式
a键 e键
船型构象：C1、C2、C4、C5在一个平面上， C3和C6在平面上方。形状象只船，C3 和C6相当船头和船尾，故称“船型”。
乙烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：
E
12.6 kj.mol-1
能
量
-
0
60 120 180 240 300
360
旋转角度
由此可见，交叉式构象的能量较低，故为稳定构象。
分子处于热运动状态，从交叉式构象转到另一交 叉式构象仅需要克服12.6 kJ·mol-1能垒，因此各种构 象处于动态平衡。
重叠式构象不稳定的原因是两个碳上的 C—H 键 处于重叠位置，相距最近，两个 C—H 的两个σ电 子对互相排斥，产生扭转张力最大，分子的热力学 能最高。
在交叉式构象中，两 C—H 键距离最远，扭转张 力最小，分子热力学能最低，是最稳定构象。温度
降低，稳定构象数量增加。
3.丁烷的构象：
丁烷的结构比乙烷复杂，先讨论绕 C2— C3 σ键旋转产生的构象。
丁烷有四种极限构象，其热力学能及动 态平衡中各异构体含量如下：
丁烷绕 C2—C3σ键 旋转的典型构象有四种：
环丙烷是三个碳原子的环，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。
2.环丁烷的构象
环丁烷有两种极限构象：
平面式构象：像环丙烷一样，不稳定，因为扭转张 力和“角张力”存在。 蝶式构象：能缓解扭转张力和角张力，呈蝶式构象。
这些构象能量差 18.8 kJ.mol-1，室温下仍可以绕 C2-C3 σ键自由转动，相互转化，呈动态平衡。
丁烷分子也可以绕 C1—C2 和 C3—C4 σ键旋转产生 类似的构象。
相邻的两碳上的 C—H 键都处于反位交叉式，碳链 呈锯齿状排列：
4.正构烷烃的构象
高碳数链烷烃的优势构象：相邻的碳 原子的构象都是反位交叉式，碳链呈 锯齿状排列 。
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。
3.环戊烷的构象
环戊烷的构象主要是信封型和半椅型构象。 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=kJ/mol 信封式E=0
半椅型E=0
4.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(萨克森) 1889年质疑张力学说只适合小环，
H
H
H
纽曼 ( Newman ) 投影式
重叠式构象
交叉式构象
构象的表示方法：锯架式、立体透视式(三维结构)和 纽曼（Newman）投影式，其中扭曼投影式最重要。 扭曼投影式：把乙烷分子模型的C—C键的一端对着观 察者，另一端远离观察者，进行投影操作，两碳原子 重合。前碳用 表示，后碳用 表示。
用前碳和后碳上的两个C—H键分别与C—C键确定 的两平面的二面角“θ”旋转的角度表示构象。有重 叠式构象和交叉式构象。