MolDraw › Narzędzia chemiczne › Konformacja krzesłowa i projekcja Newmana – rysowanie
Konformacja krzesłowa i projekcja Newmana – rysowanie
W skrócie: Wybierz podstawniki przy C1–C6 cykloheksanu, aby narysować oba konformery krzesłowe z poprawnymi wiązaniami aksjalnymi i ekwatorialnymi, i poznaj trwalsze krzesło na podstawie wartości A wraz z jego populacją w 298 K. Druga karta obraca dowolne wiązanie C–C w projekcji Newmana i rysuje wykres jego energii.
Użyj go do sprawdzenia zadań z cis/trans-dipodstawionymi cykloheksanami, aby zobaczyć inwersję pierścienia albo zrozumieć, dlaczego butan preferuje konformację anti. Wybierz każdy podstawnik w górę (klin) lub w dół (kreski); narzędzie ustali, które wiązania są aksjalne w każdym krześle.
Podstawniki przy każdym węglu
W górę = klin (nad pierścieniem), w dół = kreski (pod pierścieniem). Dwa podstawniki po tej samej stronie to cis; po przeciwnych stronach — trans.
Kąt dwuścienny (obracaj tylny węgiel)
Wartości naprężeń (kJ/mol)
Każdy podstawnik inny niż H korzysta z wartości dla CH₃. Są dobre dla grup alkilowych i orientacyjne dla pozostałych.
Jak korzystać z narzędzia do krzeseł i projekcji Newmana
- Wybierz przykład, np. trans-1,2-dimetylo, albo ustaw podstawnik w górę (klin) i w dół (kreski) dla każdego węgla od C1 do C6.
- Odczytaj oba krzesła. Wiązania aksjalne są pomarańczowe i skierowane prosto w górę lub w dół. Wiązania ekwatorialne są niebieskie i skierowane na zewnątrz pierścienia.
- Pole wyników sumuje naprężenia każdego krzesła (wartości A, zderzenia 1,3-diaksjalne i oddziaływania gauche) oraz podaje ΔG, K i % każdego krzesła w 298 K.
- Naciśnij Animuj inwersję pierścienia, aby zobaczyć, jak każdy podstawnik aksjalny staje się ekwatorialny. Użyj Pobierz SVG lub Pobierz PNG, aby zapisać rysunek do notatek.
- Otwórz kartę Projekcja Newmana, wybierz cząsteczkę i przesuń suwak lub naciśnij +60°, aby przechodzić między formami naprzemianległymi i naprzeciwległymi. Wykres energii podąża za kątem dwuściennym.
Wiązania aksjalne i ekwatorialne w krześle
Cykloheksan nie jest płaski. Przyjmuje kształt krzesła, w którym wszystkie kąty C–C–C są bliskie 109,5°, a wszystkie wiązania C–H są naprzemianległe, więc prawie nie ma naprężeń pierścienia. Każdy węgiel ma jedno wiązanie aksjalne, równoległe do osi pierścienia (prosto w górę lub w dół), i jedno ekwatorialne, skierowane na zewnątrz wzdłuż „równika” pierścienia.
- Wiązania aksjalne zmieniają kierunek naprzemiennie: w górę, w dół, w górę, w dół wokół pierścienia.
- Każde wiązanie ekwatorialne jest równoległe do wiązań pierścienia oddalonych o jeden węgiel.
- Na każdym węglu wiązania aksjalne i ekwatorialne są skierowane ku przeciwnym stronom: jeśli aksjalne jest w górę, ekwatorialne jest lekko w dół.
Inwersja pierścienia
W temperaturze pokojowej pierścień ulega inwersji około 105 razy na sekundę (bariera około 45 kJ/mol). Przy inwersji każde wiązanie aksjalne staje się ekwatorialne, a każde ekwatorialne — aksjalne, ale „w górę” pozostaje w górze, a „w dół” w dole. Dlatego cis i trans nigdy nie zmieniają się przy inwersji pierścienia.
Wartości A i naprężenia 1,3-diaksjalne
Podstawnik aksjalny zderza się z dwoma aksjalnymi atomami wodoru po tej samej stronie, oddalonymi o trzy węgle (oddziaływania 1,3-diaksjalne). Wartość A to koszt energii swobodnej położenia aksjalnego zamiast ekwatorialnego.
| Podstawnik | Wartość A (kJ/mol) | % ekwatorialnego w 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% |
Następnie ΔG = −RT ln K, gdzie K = [krzesło 2]/[krzesło 1]. W 298 K RT = 2,48 kJ/mol, więc każde 5,7 kJ/mol zmienia K dziesięciokrotnie.
Jak narzędzie sumuje naprężenia
- Każdy podstawnik aksjalny dodaje swoją wartość A.
- Dwa podstawniki (nie H) aksjalne po tej samej stronie, w położeniu 1,3, dodają około 8 kJ/mol więcej (zderzenie CH₃/CH₃ to łącznie około 15,4 kJ/mol).
- Dwie grupy węglowe przy sąsiednich węglach w układzie gauche (ekwatorialna–ekwatorialna lub aksjalna–ekwatorialna) dodają 3,8 kJ/mol, jak w butanie gauche. Sąsiedzi diaksjalni są w układzie anti, więc nic nie dodają.
To addytywne szacunki podręcznikowe. Grupy polarne mogą też odczuwać wiązania wodorowe lub efekty dipolowe, których prosta suma nie uwzględnia.
Projekcje Newmana: naprzemianległe i naprzeciwległe
Projekcja Newmana to widok wzdłuż jednego wiązania C–C. Przedni węgiel to punkt, w którym spotykają się jego trzy wiązania; tylny węgiel to okrąg, a jego wiązania zaczynają się na krawędzi. Kąt między wiązaniem przednim a tylnym to kąt dwuścienny (torsyjny).
- Naprzemianległa (60°, 180°, 300°): tylne wiązania leżą między przednimi. Najniższa energia.
- Naprzeciwległa (0°, 120°, 240°): tylne wiązania chowają się za przednimi. Najwyższa energia, z naprężenia torsyjnego i sterycznego.
- Anti: dwie największe grupy oddalone o 180°. Gauche: o 60°.
| Oddziaływanie | Energia (kJ/mol) |
|---|---|
| H/H naprzeciwległe | 4.0 |
| H/CH₃ naprzeciwległe | 6.0 |
| CH₃/CH₃ naprzeciwległe | 11 |
| CH₃/CH₃ gauche | 3.8 |
Butan (C2–C3): anti 0, gauche 3,8, naprzeciwległa (dwa razy CH₃/H + H/H) 6 + 6 + 4 = 16, całkowicie naprzeciwległa (CH₃/CH₃ + 2 H/H) 11 + 4 + 4 = 19 kJ/mol. Etan: bariera 3 × 4,0 = 12 kJ/mol.
Przykłady z rozwiązaniem
Metylocykloheksan
Krzesło z aksjalnym CH₃: 7,3 kJ/mol. Krzesło z ekwatorialnym CH₃: 0. K = e7.3/2.479 = 19,0.
95% ekwatorialnego, 5% aksjalnego
trans-1,2-Dimetylocykloheksan
Krzesło diekwatorialne: jedno oddziaływanie gauche CH₃/CH₃, 3,8. Krzesło diaksjalne: 2 × 7,3 = 14,6. ΔG = 10,8 kJ/mol.
Diekwatorialne, 98,7%
cis-1,3-Dimetylocykloheksan
Diekwatorialne: 0. Diaksjalne: 2 × 7,3 + około 8 za zderzenie 1,3-diaksjalne CH₃/CH₃ = 22,6 kJ/mol.
Diekwatorialne, ponad 99,9%
cis-1,4-Di-tert-butylocykloheksan
W każdym krześle jedna grupa tert-butylowa jest aksjalna (20,5 kJ/mol). Skręcona łódka z obiema grupami pseudoekwatorialnymi kosztuje podobnie.
Pierścień przechodzi z krzesła w skręconą łódkę
Butan: gauche a anti
Gauche ma energię o 3,8 kJ/mol wyższą niż anti. Przy dwóch formach gauche K = 2e−3.8/2.479 = 0,43.
Około 70% anti, 30% gauche w 298 K
Częste błędy
- Myślenie, że inwersja pierścienia zamienia cis w trans. Nigdy tak nie jest: „w górę” pozostaje w górze.
- Mówienie, że „cis oznacza oba aksjalne”. W pierścieniach 1,2- i 1,4-dipodstawionych cis to aksjalny–ekwatorialny; w pierścieniach 1,3 cis to diekwatorialny lub diaksjalny.
- Rysowanie pochylonych wiązań aksjalnych. Wiązania aksjalne są pionowe; ekwatorialne są równoległe do wiązań pierścienia oddalonych o jeden węgiel.
- Sumowanie wartości A z obu krzeseł. Każde krzesło „płaci” tylko za podstawniki, które są w nim aksjalne.
- Pomijanie oddziaływań gauche (jak w butanie) między podstawnikami przy sąsiednich węglach (trans-1,2 diekwatorialny nadal ma jedno).
- Używanie °C zamiast kelwinów w ΔG = −RT ln K.
Narysuj to do notatek. Otwórz darmowy edytor MolDraw, aby narysować krzesła z szablonów pierścieni, dodać kliny i etykiety oraz wyeksportować PNG lub SVG.
Otwórz pełny edytor MolDrawNajczęściej zadawane pytania
Czym różni się położenie aksjalne od ekwatorialnego?
Wiązania aksjalne są równoległe do osi krzesła i skierowane prosto w górę lub prosto w dół. Wiązania ekwatorialne są skierowane na zewnątrz, mniej więcej w płaszczyźnie pierścienia. Każdy węgiel pierścienia ma po jednym wiązaniu każdego typu, skierowanym ku przeciwnym stronom.
Dlaczego położenie ekwatorialne jest trwalsze?
Podstawnik aksjalny znajduje się blisko dwóch aksjalnych atomów wodoru oddalonych o trzy węgle po tej samej stronie (oddziaływania 1,3-diaksjalne). Podstawnik ekwatorialny jest skierowany od pierścienia i ich unika. Dla grupy metylowej różnica wynosi 7,3 kJ/mol.
Co to jest wartość A?
Wartość A to różnica energii swobodnej między monopodstawionym cykloheksanem z podstawnikiem aksjalnym a ekwatorialnym. Większa wartość A oznacza silniejszą preferencję położenia ekwatorialnego: F 1,0, OH 3,6, CH3 7,3, tert-butyl około 20,5 kJ/mol.
Jak obliczyć udział procentowy każdego krzesła?
Wyznacz ΔG między dwoma krzesłami, a potem użyj K = e^(−ΔG/RT), gdzie R = 8,314 J/(mol·K), a T w kelwinach. Udział trwalszego krzesła to K/(1 + K), gdy K jest większe od 1. Dla metylocykloheksanu K = 19, czyli 95% ekwatorialnego.
Czy inwersja pierścienia zmienia cis w trans?
Nie. Inwersja pierścienia zamienia położenia aksjalne i ekwatorialne na każdym węglu, ale podstawnik skierowany w górę pozostaje w górze. Izomeria cis i trans zależy tylko od tego, po której stronie pierścienia jest każdy podstawnik.
Dlaczego konformacja anti butanu jest najtrwalsza?
W formie anti dwie grupy metylowe są oddalone o 180°, a każde wiązanie jest w układzie naprzemianległym. Butan gauche ma energię wyższą o 3,8 kJ/mol, bo grupy metylowe są oddalone o 60°, a formy naprzeciwległe — o 16 i 19 kJ/mol.
Czy narzędzie do krzeseł i projekcji Newmana jest darmowe?
Tak. Działa w przeglądarce bez rejestracji, a każdy rysunek możesz pobrać jako SVG lub PNG.
Powiązane narzędzia chemiczne
Ostatnia aktualizacja: