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Sesselkonformation und Newman-Projektion zeichnen

Kurz gesagt: Wähle Gruppen für C1 bis C6 des Cyclohexans, um beide Sesselkonformere mit korrekten axialen und äquatorialen Bindungen zu zeichnen, und erhalte aus den A-Werten den stabileren Sessel mit seinem Anteil bei 298 K. Ein zweiter Tab dreht eine beliebige C–C-Bindung in einer Newman-Projektion und zeigt ihre Energie im Diagramm.

Nutze es, um Hausaufgaben zu cis/trans-disubstituierten Cyclohexanen zu prüfen, eine Ringinversion zu beobachten oder zu verstehen, warum Butan die anti-Konformation bevorzugt. Wähle jede Gruppe als oben (Keil) oder unten (Strich); das Tool ermittelt, welche Bindungen in jedem Sessel axial sind.

Kurzantwort: Methylcyclohexan: Axiales CH₃ kostet seinen A-Wert, 7,3 kJ/mol. K = e7300/(8,314 × 298) = 19, daher tragen bei 25 °C 95 % der Moleküle die Methylgruppe äquatorial. trans-1,2-Dimethylcyclohexan bevorzugt den diäquatorialen Sessel um etwa 10,8 kJ/mol (98,7 %).
axiale Bindungäquatoriale Bindungdir näher liegende Ringbindungen sind dicker

Gruppen an jedem C-Atom

Oben = Keil (über dem Ring), unten = Strich (unter dem Ring). Zwei Gruppen auf derselben Seite sind cis, auf entgegengesetzten Seiten trans.

So verwendest du den Sessel- und Newman-Zeichner

  1. Wähle ein Beispiel wie trans-1,2-Dimethyl oder lege für jedes C-Atom von C1 bis C6 eine Gruppe Oben (Keil) und Unten (Strich) fest.
  2. Lies beide Sessel ab. Axiale Bindungen sind orange und zeigen senkrecht nach oben oder unten. Äquatoriale Bindungen sind blau und zeigen vom Ring nach außen.
  3. Das Ergebnisfeld addiert die Spannung jedes Sessels (A-Werte, 1,3-diaxiale Abstoßungen und gauche-Wechselwirkungen) und gibt ΔG, K und den Anteil jedes Sessels in % bei 298 K an.
  4. Klicke auf Ringinversion animieren, um zu sehen, wie jede axiale Gruppe äquatorial wird. Nutze SVG herunterladen oder PNG herunterladen für deine Notizen.
  5. Öffne den Tab Newman-Projektion, wähle ein Molekül und bewege den Schieberegler oder klicke auf +60°, um zwischen gestaffelten und ekliptischen Formen zu wechseln. Das Energiediagramm folgt dem Diederwinkel.

Axiale und äquatoriale Bindungen im Sessel

Cyclohexan ist nicht eben. Es faltet sich zu einem Sessel, in dem alle C–C–C-Winkel nahe bei 109,5° liegen und alle C–H-Bindungen gestaffelt sind, daher hat es fast keine Ringspannung. Jedes C-Atom hat eine axiale Bindung parallel zur Ringachse (senkrecht nach oben oder unten) und eine äquatoriale Bindung, die rund um den „Äquator“ des Rings nach außen zeigt.

Ringinversion

Bei Raumtemperatur klappt der Ring etwa 105-mal pro Sekunde um (Barriere etwa 45 kJ/mol). Dabei wird jede axiale Bindung äquatorial und jede äquatoriale Bindung axial, aber oben bleibt oben und unten bleibt unten. cis und trans ändern sich bei einer Ringinversion also nie.

A-Werte und 1,3-diaxiale Spannung

Eine axiale Gruppe stößt auf die beiden axialen Wasserstoffatome auf derselben Seite, drei C-Atome weiter (1,3-diaxiale Wechselwirkungen). Der A-Wert ist der Preis an freier Enthalpie dafür, dass die Gruppe axial statt äquatorial steht.

GruppeA-Wert (kJ/mol)% äquatorial bei 298 K
F1.060%
Cl2.271%
Br2.069%
OH3.681%
NH₂5.992%
CH₃7.395%
CH₂CH₃7.595%
CH(CH₃)₂9.298%
C₆H₅11.799%
C(CH₃)₃20.5>99.9%

Dann gilt ΔG = −RT ln K mit K = [Sessel 2]/[Sessel 1]. Bei 298 K ist RT = 2,48 kJ/mol, daher ändert jede 5,7 kJ/mol K um den Faktor zehn.

So addiert das Tool die Spannung

Dies sind additive Lehrbuchschätzungen. Polare Gruppen können zusätzlich Wasserstoffbrücken oder Dipoleffekte erfahren, die die einfache Summe nicht berücksichtigt.

Newman-Projektionen, gestaffelt und ekliptisch

Eine Newman-Projektion blickt genau entlang einer C–C-Bindung. Das vordere C-Atom ist ein Punkt, in dem sich seine drei Bindungen treffen; das hintere C-Atom ist ein Kreis, an dessen Rand seine Bindungen beginnen. Der Winkel zwischen einer vorderen und einer hinteren Bindung ist der Diederwinkel (Torsionswinkel).

WechselwirkungEnergie (kJ/mol)
H/H ekliptisch4.0
H/CH₃ ekliptisch6.0
CH₃/CH₃ ekliptisch11
CH₃/CH₃ gauche3.8

Butan (C2–C3): anti 0, gauche 3,8, ekliptisch (zweimal CH₃/H + H/H) 6 + 6 + 4 = 16, vollständig ekliptisch (CH₃/CH₃ + 2 H/H) 11 + 4 + 4 = 19 kJ/mol. Ethan: Barriere von 3 × 4,0 = 12 kJ/mol.

Rechenbeispiele

Methylcyclohexan

Sessel mit axialem CH₃: 7,3 kJ/mol. Sessel mit äquatorialem CH₃: 0. K = e7,3/2,479 = 19,0.

95 % äquatorial, 5 % axial

trans-1,2-Dimethylcyclohexan

Diäquatorialer Sessel: eine gauche-Wechselwirkung CH₃/CH₃, 3,8. Diaxialer Sessel: 2 × 7,3 = 14,6. ΔG = 10,8 kJ/mol.

Diäquatorial, 98,7 %

cis-1,3-Dimethylcyclohexan

Diäquatorial: 0. Diaxial: 2 × 7,3 + etwa 8 für die 1,3-diaxiale CH₃/CH₃-Abstoßung = 22,6 kJ/mol.

Diäquatorial, mehr als 99,9 %

cis-1,4-Di-tert-butylcyclohexan

Jeder Sessel hat eine axiale tert-Butylgruppe (20,5 kJ/mol). Eine Twist-Boot-Form mit beiden Gruppen pseudoäquatorial kostet etwa gleich viel.

Der Ring weicht vom Sessel in eine Twist-Boot-Form aus

Butan, gauche vs. anti

Gauche liegt 3,8 kJ/mol über anti. Mit zwei gauche-Formen ist K = 2e−3,8/2,479 = 0,43.

Etwa 70 % anti, 30 % gauche bei 298 K

Häufige Fehler

Zeichne es für deine Notizen. Öffne den kostenlosen MolDraw-Editor, um Sessel aus den Ringvorlagen zu zeichnen, Keile und Beschriftungen hinzuzufügen und als PNG oder SVG zu exportieren.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen axial und äquatorial?

Axiale Bindungen verlaufen parallel zur Achse des Sessels und zeigen senkrecht nach oben oder unten. Äquatoriale Bindungen zeigen nach außen, ungefähr in der Ringebene. Jedes Ring-C-Atom hat je eine davon, und sie zeigen zu entgegengesetzten Seiten.

Warum ist die äquatoriale Position stabiler?

Eine axiale Gruppe befindet sich nahe an den beiden axialen Wasserstoffatomen drei C-Atome weiter auf derselben Seite (1,3-diaxiale Wechselwirkungen). Eine äquatoriale Gruppe zeigt vom Ring weg und vermeidet sie. Für eine Methylgruppe beträgt der Unterschied 7,3 kJ/mol.

Was ist ein A-Wert?

Der A-Wert ist die Differenz der freien Enthalpie zwischen einem monosubstituierten Cyclohexan mit axialer und mit äquatorialer Gruppe. Größere A-Werte bedeuten eine stärkere Bevorzugung der äquatorialen Position: F 1,0, OH 3,6, CH3 7,3, tert-Butyl etwa 20,5 kJ/mol.

Wie berechne ich den Anteil jedes Sessels?

Bestimme ΔG zwischen den beiden Sesseln und verwende dann K = e^(−ΔG/RT) mit R = 8,314 J/(mol·K) und T in Kelvin. Der Anteil des stabileren Sessels ist K/(1 + K), wenn K größer als 1 ist. Für Methylcyclohexan ist K = 19, also 95 % äquatorial.

Wandelt eine Ringinversion cis in trans um?

Nein. Eine Ringinversion vertauscht an jedem C-Atom axial und äquatorial, aber eine Gruppe, die nach oben zeigt, bleibt oben. cis und trans hängen nur davon ab, auf welcher Seite sich jede Gruppe befindet.

Warum ist die anti-Konformation von Butan die stabilste?

In der anti-Form stehen die beiden Methylgruppen im Winkel von 180° zueinander und alle Bindungen sind gestaffelt. gauche-Butan liegt 3,8 kJ/mol höher, weil die Methylgruppen 60° voneinander entfernt sind, und die ekliptischen Formen liegen 16 und 19 kJ/mol höher.

Ist der Sessel- und Newman-Zeichner kostenlos?

Ja. Er läuft im Webbrowser ohne Registrierung, und du kannst jede Zeichnung als SVG oder PNG herunterladen.

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