3.6
从碳-碳键轴方向观察乙烷分子,其C-H基团以60°的二面角间隔排列,这种构象称为乙烷的交叉式构象。
乙烷的交叉式构象能量最低。这是因为C-H键之间的距离最远,使键中电子的立体排斥作用最小,从而稳定了分子。
另一个稳定交错构象的因素是占据的成键分子轨道与未占据的反键分子轨道之间的有利相互作用。
通过固定较近的碳原子并旋转较远的碳原子,可产生无限多种构象。
在 0° 二面角时,两个碳原子上的 C-H 键相互靠近并重叠。这是乙烷的重叠式构象。
由于空间位阻增大且缺乏稳定作用,重叠式乙烷的能量升高了12 kJ/mol,每个重叠的H-H相互作用被赋予4 kJ/mol。
重叠构象与交叉构象之间的能量差称为扭转张力或扭转能垒。
沿碳-碳键将分子从 0º 旋转至 360º,可产生多个简并的交叉式和重叠式构象。
在室温下,乙烷气体样品中约有 99% 的分子处于最低能量的交叉式构象。
分子碰撞所获得的能量用于克服扭转势垒,从而实现内旋转。 因此,该分子在经过高能重叠式构象后,转变为另一种交叉式构象。
下一个烃类——丙烷——也有两种主要的构象异构体:重叠式和交叉式。
重叠式构象具有14 kJ/mol的扭转张力。每一对重叠的氢原子贡献4 kJ/mol,而甲基-氢(CH3-H)的重叠相互作用贡献6 kJ/mol。