第 5 章 · 构象

乙烷转一转:看见扭转张力

沿着 C—C 键的方向看过去:前面一个碳用点表示,后面一个碳用圆表示。把后面的碳转动,键与键的“挤不挤”会立刻显出来。

观察台|沿 C—C 键观看

可转动的乙烷纽曼投影 深色三条键来自前碳,蓝色圆和三条键来自后碳。拖动滑杆使后碳绕碳碳单键转动。 沿着 C—C 单键,从前向后看 前 后碳

试着从 0° 推到 60°,再比较能量。

能量不是一直升或一直降,而是每转 120° 重复一次

纵轴为相对能量的示意值。0°、120°、240°、360° 是重叠式高点;60°、180°、300° 是交错式低点。乙烷的重叠式与交错式之间的能量差约为 12 千焦·摩尔⁻¹。

乙烷相对能量随二面角变化的曲线 曲线在零、120、240 和360度较高,在60、180、300度较低。一个圆点标出当前选择的角度。

为什么会有高低?

你可能会把它想成“氢原子碰在一起了”。这个说法不够准确:原子核并没有相撞。关键是沿键轴观察时,重叠式让相邻 C—H σ 键的成键电子云更接近,排斥增大,构象能升高。

注意这个陷阱:“交错式能量低”不等于 C—C 键更短或被重新生成。它说明在这一个转角,扭转张力较小。室温下乙烷会不断转动,分子群体中交错式出现得更多。

小判断

从 0° 转到 60°,乙烷能量降低是因为 C—C σ 键断裂后重新形成。这个说法对吗?

先选一个答案,再核对理由。

术语落脚:这里的“重叠式”和“交错式”是在 纽曼投影 中描述的构象;“二面角”是前、后两个 C—H 键绕 C—C 键轴的夹角。构象改变通常只需绕单键旋转,不涉及共价键断裂。