烷烴、命名與構象

扭轉張力

扭轉張力是分子帶有的一小份額外能量,出現在相鄰原子上的鍵被迫正對地排在彼此身後、而不是嵌進縫隙時。它是重疊式構象的「彆扭感」——正是分子寧願扭成交叉式(讓鍵彼此迴避)的原因。

為什麼重疊要花能量?每根共價鍵是一對電子,而電子對相互排斥。當一根前鍵重疊在一根後鍵上時,這兩團成鍵電子雲被旋轉推到盡可能近,於是它們彼此頂回去;鍵本身的重疊也不利。結果就是一份不大的能量代價,在簡單分子裡每對重疊的碳氫鍵約 4 千焦/莫耳。疊上三對,就得到乙烷約 12 千焦/莫耳的重疊對交叉勢壘。

扭轉張力是構象分析所權衡的兩種張力之一(另一種是位阻張力,來自大基團在空間裡相互擁擠)。要把它們分清:扭轉張力關乎鍵的重疊,連小小的氫之間也會出現;位阻張力則需要真正龐大的基團相互碰撞。扭轉張力解釋了乙烷為何偏愛交叉式,貢獻了丁烷和環裡重疊式的峰,也是為什麼環己烷那張扁平「平面」畫法是錯的——真實的環己烷會皺起來,好讓每根鍵都保持交叉。

重疊式乙烷因三對重疊的 H-H 而帶有約 12 千焦/莫耳的扭轉張力;旋轉 60 度到交叉式,這份張力便消失。

鍵重疊時扭轉張力上升,鍵交叉時降到接近零。

扭轉張力(鍵重疊)不同於位阻張力(大基團相撞)或角張力(鍵角畸變)。說對是哪種張力,就把構象論證做對了一半。

又稱
eclipsing strainPitzer strain扭转应变重叠张力