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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.
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.
Diederwinkel (hinteres C-Atom drehen)
Spannungswerte (kJ/mol)
Jede Gruppe außer H verwendet die CH₃-Werte. Sie passen gut für Alkylgruppen und sind für andere eine grobe Orientierung.
So verwendest du den Sessel- und Newman-Zeichner
- 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.
- 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.
- 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.
- Klicke auf Ringinversion animieren, um zu sehen, wie jede axiale Gruppe äquatorial wird. Nutze SVG herunterladen oder PNG herunterladen für deine Notizen.
- 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.
- Axiale Bindungen wechseln rund um den Ring zwischen oben, unten, oben, unten.
- Jede äquatoriale Bindung verläuft parallel zu den Ringbindungen, die ein C-Atom entfernt sind.
- An jedem C-Atom zeigen axiale und äquatoriale Bindung zu entgegengesetzten Seiten: Ist axial oben, zeigt äquatorial leicht nach unten.
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.
| Gruppe | A-Wert (kJ/mol) | % äquatorial bei 298 K |
|---|---|---|
| F | 1.0 | 60% |
| Cl | 2.2 | 71% |
| Br | 2.0 | 69% |
| OH | 3.6 | 81% |
| NH₂ | 5.9 | 92% |
| CH₃ | 7.3 | 95% |
| CH₂CH₃ | 7.5 | 95% |
| CH(CH₃)₂ | 9.2 | 98% |
| C₆H₅ | 11.7 | 99% |
| C(CH₃)₃ | 20.5 | >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
- Jede axiale Gruppe trägt ihren A-Wert bei.
- Zwei axiale Gruppen (nicht H) auf derselben Seite in 1,3-Stellung zueinander fügen etwa 8 kJ/mol hinzu (die CH₃/CH₃-Abstoßung beträgt insgesamt etwa 15,4 kJ/mol).
- Zwei Kohlenstoffgruppen an benachbarten C-Atomen, die gauche stehen (äquatorial–äquatorial oder axial–äquatorial), fügen 3,8 kJ/mol hinzu, wie bei gauche-Butan. Diaxiale Nachbarn stehen anti und tragen daher nichts bei.
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).
- Gestaffelt (60°, 180°, 300°): Die hinteren Bindungen liegen zwischen den vorderen. Niedrigste Energie.
- Ekliptisch (0°, 120°, 240°): Die hinteren Bindungen liegen verdeckt hinter den vorderen. Höchste Energie, durch Torsionsspannung plus sterische Spannung.
- Anti: die beiden größten Gruppen im Winkel von 180°. Gauche: im Winkel von 60°.
| Wechselwirkung | Energie (kJ/mol) |
|---|---|
| H/H ekliptisch | 4.0 |
| H/CH₃ ekliptisch | 6.0 |
| CH₃/CH₃ ekliptisch | 11 |
| CH₃/CH₃ gauche | 3.8 |
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
- Glauben, dass eine Ringinversion cis in trans umwandelt. Das passiert nie: Oben bleibt oben.
- Sagen „cis bedeutet beide axial“. Bei 1,2- und 1,4-disubstituierten Ringen ist cis axial–äquatorial; bei 1,3-Ringen ist cis diäquatorial oder diaxial.
- Axiale Bindungen schräg zeichnen. Axiale Bindungen sind senkrecht; äquatoriale Bindungen verlaufen parallel zu den Ringbindungen ein C-Atom weiter.
- A-Werte beider Sessel addieren. Jeder Sessel „bezahlt“ nur für die Gruppen, die in ihm axial stehen.
- gauche-Butan-Wechselwirkungen zwischen Gruppen an benachbarten C-Atomen vergessen (trans-1,2 diäquatorial hat immer noch eine).
- °C statt Kelvin in ΔG = −RT ln K verwenden.
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.
Vollständigen MolDraw-Editor öffnenHäufig 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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