烷烃、命名与构象
椅式构象
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如果你把环己烷画成一个扁平的六边形,那你画的是一个并不存在的分子。真实的六元碳环拒绝平躺;它折成一个轻轻起伏的形状——四个碳在一个平面内,一个翘上、一个翘下——看起来像一把斜倚的躺椅。这就是椅式构象,有机化学里最重要的单一形状。
椅式之所以特别,是因为它一举把所有针都穿过。通过皱褶,环让所有 C-C-C 键角都保持在理想的 109.5 度,于是没有角张力。而当你沿它任意一根键看过去,会发现所有 C-H 键都完美交叉,于是也没有扭转张力。椅式基本上无张力——这正是为什么六元环在自然界如此常见,从葡萄糖到甾体:搭建它们几乎不花代价。
在椅式上,十二个氢分成两类:六个直立键(axial)的氢笔直朝上或朝下(平行于环的轴),六个平伏键(equatorial)的氢沿环的「腰部」向外指。同一个环可以翻转成一个等价的椅式,把直立键和平伏键对调。学会画椅式、翻椅式,并把取代基放到更宽敞的平伏位置,就是几乎所有六元环化学背后的实用技能。(还存在一个能量更高的「船式」,但很少有分子处在其中。)
葡萄糖采用椅式(在其吡喃糖环型中),把大块的 -OH 和 -CH2OH 多数放在平伏位——这是一种低张力的安排,自然界处处沿用。
椅式同时消除角张力(理想 109.5 度)和扭转张力(所有键交叉)。
在讨论环己烷形状时,切勿把它画成扁平六边形——它会皱起。扁平画法掩盖了直立/平伏之分,而所有六元环化学都依赖这一区分。
又称
另见