[科普中國]-椅型構(gòu)象

在環(huán)已烷中，六個碳原子不在同一個平面內(nèi),碳碳鍵之間的夾角為109.5°，沒有環(huán)張力，因此環(huán)很穩(wěn)定。環(huán)已燒由于環(huán)的翻轉(zhuǎn)可以形成多種構(gòu)象，其中，椅型和船型這兩種典型的構(gòu)象最為重要。船型構(gòu)象能量高，不能穩(wěn)定存在，而椅型構(gòu)象能穩(wěn)定存在。

簡介六元環(huán)是自然界中發(fā)現(xiàn)最多的環(huán)系，這是因為六元環(huán)以十分穩(wěn)定的構(gòu)象形式存在。在這個構(gòu)象中，基本上不存在任何角張力和扭轉(zhuǎn)張力。下圖以兩種不同的方式表示了環(huán)己烷的這一穩(wěn)定構(gòu)象。

從中間的式子容易看出C2、C3、C5和C6構(gòu)成了一個平面，類似一張椅子面。C1朝下，類似椅子腿，C4朝上類似椅子靠背。因此該構(gòu)象被形象地稱為椅型構(gòu)象（chair conformation）。

環(huán)己烷的椅型構(gòu)象中，所有C—C—C鍵角均為111°，與sp3雜化軌道夾角109.5°十分接近，基本上沒有角張力。用Newman投影式表示這一構(gòu)象，可以清楚地觀察到椅型構(gòu)象中任意兩個相鄰碳原子的構(gòu)象全部為交叉式。因此也不存在扭轉(zhuǎn)張力。1

球棍模型仔細觀察環(huán)己烷椅型構(gòu)象的球棍模型，可以觀察到另外兩個相互平行的平面，即C1、C3和C5組成的下平面以及C2、C4和C6組成的上平面，如下圖所示。

以這兩個平面為基準，可以看到下平面碳原子上向下的鍵垂直于該平面向下，而上平面碳原子上向上的鍵垂

直于該平面向上，因此稱之為直立鍵，也稱為a鍵（axial bonds）。其余的鍵則平伏伸向環(huán)的兩側(cè)，因此稱之為平伏鍵，也稱為e鍵（equatorial bonds）。

為了清晰準確地表達環(huán)己烷椅型構(gòu)象中a、e鍵的關(guān)系，畫椅型構(gòu)象時，不能將椅子面畫成水平面（如下圖中左圖所示），而應將奇數(shù)碳或偶數(shù)碳構(gòu)成的平面作為水平面（如下圖中右圖所示）。

穩(wěn)定形式除D3d對稱性的椅型構(gòu)象（1）外環(huán)己烷還有半椅型/信封型（2）、扭船型（3、5，D2對稱性）和船型（4）等構(gòu)象，但只有這之中扭船型可以和椅型一樣分離出來（因它為能量低點）。船型結(jié)構(gòu)無角張力，但有兩個軸向1，4-氫間的空間張力（即所謂旗桿氫作用），而且因兩根碳-碳鍵處于重疊構(gòu)象，所以也有扭轉(zhuǎn)張力，不如椅型構(gòu)象穩(wěn)定。船型結(jié)構(gòu)可以折成其他構(gòu)象以減少張力，如比它更加穩(wěn)定的扭船型。

船型和半椅型構(gòu)象分別是扭船型間和扭船-船型間的過渡態(tài)，無法分離出來。相對船型，扭船型、船型和半椅型的能量分別為23、28、45 kJ/mol。環(huán)翻轉(zhuǎn)實際上就是經(jīng)過兩個半椅型、兩個扭船型和一船型構(gòu)象，從一椅型翻到另一椅型的過程。椅型和扭船型間的能差可通過對正逆轉(zhuǎn)化反應的活化能求差而間接求得。室溫下只有很少（