由于单键可以“自由”旋转,使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列,这种特定的排列形式称为构象(conformation)。环状烷烃的构象比较多样,但是为了使化合物处于更稳定的形式,一般具有特定的几种构象。信封型构象一般是指环戊烷的一种构象形式,四个碳原子处在同一个平面中,另一个碳原子在该平面上方约50pm处。

简介构型异构是同分异构,可以得到某种构型的纯净物,而构象是一个分子的原子的不同伸展,构象之间一般不停地转换,故构象异构不算同分异构。每一个有机物都有特定的构象,例如乙烷分子就有两种特定的构象,一种是重叠构象,能量较高,不稳定构象;而另外一种构象是交叉构象,能量较低,是稳定优势构象。信封型构象特指环戊烷的稳定优势构象,能量比环戊烷平面构象的能量低很多。将其中的一个原子移出平面就可以得到信封型构象。以缓解五个碳原子处于同一平面形成的全部氢原子成重叠型的大的扭转张力,并且依然保持了镜面对称。

构象转化如果环戊烷分子采取平面构型,其中C-C-C的键角将为108度,与四面体中的C-C-C键角非常接近。然而和环丁烷一样,平面结构的环戊烷将会存在大量的C-H键重叠,分子约有42kJ/mol的扭转张力,所以平面形状的构象是不稳定的。为了使环戊烷稳定的结果是分子发生了折叠,尽管这样的折叠压缩了C-C-C键角(如图所示)。环戊烷分子的张力能为6.2kcal/mol,大部分来自扭转角的张力,部分来自键角弯折而产生的张力。

环戊烷的信封型构象和半椅式构象的转化是快速的,这两种构象的能量几乎相同,所以使得所有的氢原子与碳原子都是等价的,从而得到一个时间平均为平面形的结构。这两种构象之间的转化并不需要经过全平面构象。全平面构象的能量要比信封式构象或半椅式构象能量高约5kcal/mol。环戊烷在一系列的动态转换中,环上每一个原子可依次交替离开平面,从一个信封式构象转换成另一个信封式构象。1

拓展:环戊烷的半椅式构象通常我们认定环戊烷的最稳定构象是信封式构象,除了信封式构象以外,还存在半椅式构象。半椅式构象(half-chair conformation)中,三个碳原子在同一个平面内,另外两个碳原子在平面的上方,另一个则在下方。在分析一些生物大分子——核酸中的五碳糖的的时候比较常见半椅式构象。在一些机理研究中起着重要的作用。因此在有机物的机理研究中应特别注意构象的分析。

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李廉 - 副教授 - 中国矿业大学