案例3 二取代环己烷的构象分析
环己烷的两种构象
环己烷的两种构象环己烷是一种有机化合物，由6个碳原子和12个氢原子构成。
它是一种六元环烷烃，分子式为C6H12。
由于环状结构的特殊性质，环己烷存在两种不同的构象：椅式构象和船式构象。
我们来讨论椅式构象。
在椅式构象中，环己烷的六个碳原子形成了一个六角形的环，其中三个碳原子处于较高位置，另外三个碳原子则处于较低位置。
这种构象使得环己烷分子呈现出椅子的形状，因此得名椅式构象。
在椅式构象中，三个碳原子的键角为109.5度，符合理想的sp3杂化碳原子的键角。
同时，每个碳原子上都有一个氢原子与之相连，使得环己烷分子的化学性质稳定。
在椅式构象中，碳原子上的氢原子可以分为两类：轴向氢和赤道氢。
轴向氢位于立体构象中心，与环状结构垂直排列；赤道氢则位于碳原子所在的环状结构的平面上。
这种排列方式使得环己烷分子呈现出较稳定的构象。
接下来，我们来讨论船式构象。
在船式构象中，环己烷的六个碳原子形成了一个略微扭曲的六角形的环，其中两个碳原子处于较高位置，另外四个碳原子则处于较低位置。
这种构象使得环己烷分子呈现出船的形状，因此得名船式构象。
在船式构象中，同样有三个碳原子的键角为109.5度，符合理想的sp3杂化碳原子的键角。
船式构象与椅式构象相比，略微扭曲了环状结构，使得环己烷分子的形状略有变化。
在船式构象中，碳原子上的氢原子同样可以分为轴向氢和赤道氢，但其排列方式与椅式构象有所不同。
总结起来，环己烷存在两种不同的构象：椅式构象和船式构象。
椅式构象是环己烷最稳定的构象，其中碳原子和氢原子的排列使得分子更加稳定。
船式构象则略微扭曲了环状结构，使得环己烷分子的形状有所变化。
这两种构象在空间结构上存在差异，因而影响了环己烷的化学性质和反应活性。
值得注意的是，在实际的环己烷样品中，椅式构象和船式构象并存，而且两者之间可以相互转化。
这种构象变化是由于环己烷分子内部碳原子和氢原子的振动引起的。
在适当的条件下，环己烷分子可以通过热能的作用转变为另一种构象，从而使得椅式构象和船式构象相互转化。
2CH4环烃
五、环己烷及取代环己烷的构象
1. 环己烷的船式和椅式构象
环己烷分子有无数构象，船式和椅式是环己烷的两种典型构象 （能保持正常C-C-C键角的空间排布方式），因为一种象船，一种象 椅子故得名。
椅式 船式 特点：无论船式或椅式，环中C2C3C5C6都在同一平面上，只不过在船 式中，C1和C4在C2C3C5C6形成的平面的同侧，象船；在椅式中，C1和 C4则分别在C2C3C5C6形成的平面的上下两侧，象椅子。
五、环己烷及取代环己烷的构象
结论：椅式比船式稳定，椅式为优势构象。
五、环己烷及取代环己烷的构象
2点原因：
① 在船式构象中，C1及C4上的两个氢原子相距极近；
② 在椅式环己烷中每一个C-C键上的基团的构象，它们都 呈邻位交叉式，稳定；而在船式构象中，C2-C3及C5-C6上 连接的基团为重叠式。
五、环己烷及取代环己烷的构象
五、环己烷及取代环己烷的构象
取代基相同的多元取代环己烷：
反-1,2-二甲基环己烷
H H 3C H CH3 H CH3 CH3 H
较稳定
H
顺-1,3-二甲基环己烷
H H CH3 H CH3
CH3 H H CH3 CH3 H H
CH3 CH3
较稳定
反-1,4-二甲基环己烷
CH3
较稳定
五、环己烷及取代环己烷的构象
五、环己烷及取代环己烷的构象
构象翻转特点：a/e键互换
equtorial (down)
CH
3
CH
3
axial (down)
五、环己烷及取代环己烷的构象
3. 取代环己烷的构象
环己烷最稳定的构象为椅式，对取代环己烷进行分析时，主要考 虑椅式构象。 环己烷的取代物有两种取向（可连a键或e键）。从许多实验事实 可总结出如下规律：
环己烷构象
4. 环己烷的半椅式构象
5 4 3 2 6 1
三个全重叠 三个邻交叉
四个全重叠 两个邻交叉
半椅式构象是用分子力学计算过渡态的几何形象时提出的。 构象分布：环己烷椅式构象 : 环己烷扭船式构象 = 10000 : 1
CH3
5
CH3
3
6 2
1
4
பைடு நூலகம்
顺 式 ：
H
5 3 2
6 1
CH3 H
CH3 H
4
H
a、a 键
CH3
5
e、e 键
H
3
6 2
1
4
反 式 ：
H
5 3 2
6 1
4
H
CH3 H
CH3
CH3 a 、e 键 a 、e 键
环己烷的扭船式构象
4 H H H H H H H H H H H H 5 4 5 3 2 3 6 2 1 4 6 3 6 1 4 5 5 2 2 1 3 6 1
H
1 2
H H
4
2
H
二、取代环己烷的优势构象 1.一取代环己烷
非键张力大 H
5 4
CH3 H
3 6 2 1
H
H
4
5 3 2
6 1
H
CH3 H
5 4
3
CH3
1 2 4 2 3 5 1 6
CH3
6
H
H
结论： 取代 基处 于e 键稳 定。
2.二取代环己烷
(1) 1,2-二取代环己烷
CH3
5 6 3 2 1
18nm123456123456hhhhhhhh船式构象123456hhhhhhhhhhh123456hhhhhhhhhhh183a227a250a锯架式纽曼式ae键键环己烷的六个碳原子构成两个平面六个ae键分别为三上三下同一碳原子若a键在上e键必然在下123456ae键可以相互转化
二取代环己烷和稠环烃的构象
CH3
a键(直立键)
小 结： （1）环己烷多元取代物最稳定构象 是e-取代基最多的构象。
（2）环上有不同取代基时，大取代 基在e键的构象较稳定。
问题： 画出下列各二元取代环己烷最稳定的构 象：
（1）顺-1-氯-2-溴环己烷
（2）反-1-氯-4-碘环己烷
（3）顺-1，3-二羟基环己烷
（4）顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷
CH2
2
CH2
10 11
12
3
6
8
3
54
10 CH2 12
1
HC
9 CH2
13 CH2
4 CH2 5 CH2
6
H2C
HC 9
CH2 CH CH
CH2 CH CH2
8
7
6
CH2
4
CH2
CH2
5
H2C
CH
CH2
8
7
三环[3.2.1.02,4]辛烷
三环[5.4.0.02,9]十 一烷
三环[5.5.1.0 3,11]十三烷
H
HH
H
H
H
H
H
环丁烷的构象
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
HH
H
H
H H
H
H
H
H
H H
H
H H
H
信封式 能垒 2.5KJ/mol 环戊烷构象
半椅式
第四节 环己烷的构象
在环己烷分子中，C原子是SP3杂 化。六个C不在同一平面，C-C键夹 角保持109º28'，因此环很稳定。其 有二种极限构象。
代取代基环己烷顺反
代取代基环己烷顺反代取代基环己烷顺反：解读分子构象中的空间异构性【导言】在化学中，分子不仅通过原子间的键合关系进行连接，还存在着各种空间构象。
而代取代基环己烷顺反（syn and anti conformation of substituted cyclohexanes）作为一种常见的分子构象，具有重要的理论和实际意义。
本文将就代取代基环己烷顺反的结构特征、影响因素以及其在有机化学中的应用等方面进行详细探讨。
【正文】1. 代取代基环己烷顺反的概念代取代基环己烷顺反是指环己烷分子中两个取代基（通常是氢原子的替代物）在特定的空间构象中呈现相对位置的不同。
其中，顺构象指两个取代基位于同一环平面内，且相对位置相对靠近，而反构象则表示两个取代基处于相对位置较远的构象中。
2. 结构特征及样式在顺构象中，两个取代基之间的键角通常为非180度。
其中，键角较小的构象称为鄰顺（近顺），而键角较大的构象称为远顺（遠顺）。
相比之下，反构象中两个取代基的键角则接近180度，具有较大的空间隔离。
3. 影响因素代取代基环己烷顺反构象的形成与多种因素相关。
其中，最主要的影响因素为相邻取代基间的手性和电荷效应，以及两个取代基的大小和取代基间的键长等。
还有溶剂效应、空间位阻和分子内作用力等因素对顺反构象的形成产生一定的影响。
4. 应用领域代取代基环己烷顺反在有机化学中具有广泛的应用。
通过对代取代基环己烷顺反构象的研究，可以帮助我们更好地理解分子空间构象与性质之间的关系，为合成新化合物提供理论依据。
利用合成手段调控代取代基环己烷顺反构象，可以探索新型材料的性能，如具有光学活性的分子和手性催化剂等。
在药物研究领域，代取代基环己烷顺反构象也是设计和优化药物分子结构的重要策略之一。
【结语】通过对代取代基环己烷顺反的讨论，我们深入了解了这一分子构象中的空间异构性。
代取代基环己烷顺反是一个概念简单、应用广泛的重要构象类型，对于理解和应用分子空间构象具有重要意义。
环已烷及其衍生物的构象讲解
顺十氢萘：
H
≡
H
1
7
3 8 9B
A
4
65
10
3
2
4
8
1B
9 A
10
6
7
5
A环和B环有两个取代基产生一个邻交叉,C1-C9对A环产生二个 1,3-二直立键,C5-C10对B环产生二个1,3-二直立键,其中有两个重 合,所以实际上有三个1,3-二直立键。
反十氢萘： H ≡
H
反式中A、B环都有两个取代基产生一个邻交叉。 顺式比反式能量高11.4KJ/mol。
环已烷及其衍生物的构象
1.环已烷的构象
1918年 E.Mohr提出非平面无张力环学说，提出环 已烷的六个碳原子都保持正常键角109°28′的椅 式和船式构象
H
椅式构象： H H
H H
H H
H HH
H
H
4
H 56
CH2
H
23
H
CH2
H
1
H
H
H
H
特点：有6个a(axial)键，6个e(equatoial)键,环中相
邻碳原子的碳碳键和碳氢键都处于邻位交叉式。
船式构象：
C1与C4碳原子上氢原子相对距离只有183pm远小于范德 华半径之和(248pm),产生斥力。C2、3、5、6在同一个平面 有两个全重叠构象。
扭船式构象：所有扭转角都是30°,三个全重叠,三个邻
交叉。
H
H
HH
H H
HH
H
H
H
H
在室温下环已烷的一种椅式构象通过σ键旋转迅速转 变成另一种椅式构象：
反1,2-二甲基环已烷：
C H 3
环己烷构象
环己烷构象本文由南通润丰石油化工整理椅型环己烷分子。
红色为直键氢原子，蓝色为平键氢原子。
历史背景很早就有人提出环己烷可能不是平面型结构。
1890年，德国人赫尔曼·萨克森（Hermann Sachse）提出通过折纸来构建环己烷“对称”和“非对称”结构（即现椅型和船型结构）的方法，从他的文章可以感受出，他已经知晓这些构象有两种不同的氢原子（即现直键氢和平键氢）以及两种椅型结构可能会相互转化，甚至还意识到两种椅型结构的分布可能受环上某些取代基的影响。
不过他的文章没有获得化学家的足够重视，一方面是文章的数学成分太多，难以理解，另一方面则是他的文章没有发表到主要的期刊上。
1893年仅31岁的萨克森去世，他的研究也就此结束。
直到1918年恩斯特·摩尔（Ernst Mohr）用新问世的X射线晶体学技术测定金刚石结构时，才发现所得结构中的基础结构单元正是萨克森预测过的椅型结构，才使环己烷构象研究重新进入焦点之中。
椅型构象sp3杂化的碳原子是四价的，键间角度为109.5°，所以环己烷不是平面的键角120°的正六边形结构，而是采取多种三维的构象。
椅型构象描述的是普通状态环己烷最稳定的构象，25度时99.99%的环己烷分子都是这种构象。
德里克·巴顿和奥德·哈塞尔因对环己烷和其他分子构象的研究而获得诺贝尔化学奖。
能量最低的椅型构象中，12个氢原子中有6个处于竖直方向（红色）——这些碳-氢键互相平行，呈轴向排列，分列环上下，称为直键。
另6个氢处于近似水平方向（蓝色）——这些碳-氢键大致平伏，分别稍向下和向上翘起，称为平键。
对于同一碳原子来说，若与它相连的直键氢是向上的，则平键氢稍向下，反之亦然。
观察可知，对于连有向上直键、稍向下平键的碳原子，与其相邻的两个碳原子必然连有向下直键和稍向上平键。
而且环中相对碳原子所连平键和直键的方向也必然是分别相反的（如H1和H4）。
环己烷的构象
环己烷的构象
环己烷是一种六元环有机化合物，化学式为C6H12，它由六个碳原子和十二个氢原子构成，其中每个碳原子都与两个相邻的碳原子和两
个氢原子共形成四个共价键。
环己烷的最稳定的构象为椅形结构，在该结构中，六个碳原子组
成一个六角形，并且在这个六角形的上方和下方各有三个碳原子，这
些碳原子呈现出交错排列的形式。
椅形结构的环己烷分子如同一个椅子，因此称之为“椅状构象”，这种构象下的环己烷稳定性最高，且
相对地容易被取代反应，因此被广泛应用于有机合成中。
另一种环己烷构象是船形结构，其中碳原子按照类似船底的形状
排列。
这种构象相对于椅形结构来说不太稳定，因为其中两个碳原子
太近，容易引起反式构型相互作用的影响。
此外，环己烷还可能形成
扭曲构象，在这种构象下，环己烷分子呈现出扭曲的形状。
环己烷的构象对于它的性质和应用具有重要影响。
例如，在某些
有机化学反应中，需要采用椅形构象才能有效进行反应。
此外，环己
烷还可以作为溶剂、润滑剂、燃料等应用于许多领域。
总之，环己烷所具有的不同构象对它的性质和应用有着重要影响，了解环己烷的构象，有助于研究其在有机合成和其他领域中的应用。
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案例3 二取代环己烷的构象分析
燃烧热的测定发现，1,2-二甲基环己烷的反式异构体比顺式异构体稳定，而1,3-二甲基环己烷的顺式异构体比反式异构体稳定。
问题：
利用构象分析解释上述现象。
案例分析：
顺-1，2-二甲基环己烷：有ea和ae两个椅式构象，两者能量相等，在平衡体系中各占50%。
两个椅式的相互转变如下图所示：
反-1，2-二甲基环己烷：有ee和aa两个椅式构象，在平衡体系中ee构象占绝对优势。
两种椅式的相互转变和能量差别如下图所示：
对于1,2-二甲基环己烷，由于反式异构体ee 构象比顺式异构体构象势能更低，所以，反-1,2-二甲基环己烷比其顺式异构体稳定。
顺-1,3-二甲基环己烷的两个椅式构象中，ee 构象占绝对优势。
而反-1,3-二甲基环己烷的两个椅式构象能量相等，均为ae 型构象。
故顺-1,3-二甲基环己烷比其反式异构体稳定。
CH 3H 3C
CH 3
CH 3(ee)(aa)
顺-1-3- 二甲基环己烷
CH 3H 3C CH 3
CH 3
(ea)(ae)
反-1-3- 二甲基环己烷
类似地分析可知，反-1,4-二甲基环己烷比其顺式异构体稳定。