環己烷的四種構象，為何99%都是椅型構象？

什麼是構象式

“椅型構象”和“船型構象”是有機化學中的術語，最具代表性的分子就是環己烷。這兩種構象是存在於環己烷分子的兩種不同結構，但根據其結構的能量，它們具有不同的穩定性。

在環己烷分子中，碳原子是四面體結構，碳原子之間以單鍵相連，鍵角是109。5°，因此分子中的六個碳原子不可能形成平面形的環，而只能形成折曲式的環，在這種環中的其中兩種排列方式，分別稱為椅型構象和船型構象。在椅型構象中，若使C-2、C-3、C-5和C-6處於同一水平面內，則C-1和C-4分別處於該平面的上面和下面，整個分子像“椅子”，故稱椅型構象。它是非平面形的，鍵角109。5°，故沒有角張力。

——權威出處： 《實用有機化學辭典》

圖為：環己烷椅型結構

什麼是椅型？

椅型構象是環己烷最穩定的結構，這是因為該構象下它能量最低。通常，在室溫下（約25°C），所有環己烷分子均以椅型構象存在。如果在此溫度下同一化合物存在不同結構的混合物，則大約99％的分子會轉化為椅型構象，考慮到此分子的對稱性，我們可以將其歸納為D3d，所有碳中心都是等效的。

圖為：環己烷的椅型構象

在軸向位置上有六個氫原子，其他六個氫原子幾乎垂直於對稱軸（水平面）。如果考慮碳原子，則每個碳原子都包含兩個氫原子：一個氫原子“向上”，另一個氫原子“向下”。由於C-H鍵處於交錯構型，幾乎沒有扭轉應變。

什麼是船型？

船型構象是環己烷的不穩定結構，因為該結構具有高能量。

由於兩個"船角"氫之間的相互作用，該結構中存在相當大的空間應變，並且還存在相當大的扭轉應變

。這些應變還導致船型的不穩定性質。該結構的對稱性稱為C2v。環己烷的四種構象如下圖所示：A為椅型、B為扭船型、C為船型、D為半椅型。

圖為：不同能量下環己烷構象

同時，船型趨向於自發地轉變成扭船型，它的對稱性是D2。這種結構表現為輕微扭曲的船型。將環己烷快速冷卻，可將船型構象轉變為扭船型構象，加熱後其會轉變成椅型構象。

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船型構象與椅型構象區別

船型構象與椅型構象之間的主要區別是椅型能量低，而船型能量高。由於這個原因，椅型結構比船型穩定。通常，椅型是環己烷最穩定的構象，在室溫下，約99％都以椅型構象存在。

另外，椅型構象的對稱性為D3d，船型構象的對稱性為C2v，船型趨向於自發地轉變成船扭船型。但是，這兩種結構在加熱時都傾向於轉變為椅型構象結構。船型與椅型之間的另一個區別是，椅型的扭轉應變和位阻低於船型。簡單概括為：

能量高低：椅型能量低，船型能量高。

對稱性：椅型為D3d，船型為C2v。

穩定性：椅型構象優於船型構象。

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