Конформации кресла и проекции Ньюмена: пошаговое руководство с бесплатным инструментом

Опубликовано: 19 октября 2026 г. · Автор: Scidart Academy · Время чтения: ~8 мин
Скелетная формула метилциклогексана — классического примера аксиальной и экваториальной метильной группы в конформации кресла
Инверсия цикла переводит метильную группу метилциклогексана из аксиального положения в экваториальное.

Коротко: в кресле циклогексана у каждого атома углерода одна аксиальная связь (строго вверх или вниз) и одна экваториальная (наружу от цикла). Инверсия цикла меняет их местами. Крупные группы предпочитают экваториальное положение: аксиальный метил стоит 7,3 kJ/mol (его A-значение), поэтому при 25 °C метилциклогексан на 95 % экваториальный. В проекции Ньюмена заторможенные конформации имеют наименьшую энергию; у бутана анти — 0, гош — 3,8, заслонённая — 16, полностью заслонённая — 19 kJ/mol. Бесплатный инструмент для кресел и проекций Ньюмена рисует оба кресла, суммирует напряжение и строит график торсионной энергии.

Конформация кресла

Циклогексан не плоский. У плоского шестиугольника углы были бы 120°, а связи C–H — заслонёнными. Цикл складывается в кресло, где каждый угол C–C–C около 109,5°, а все связи заторможены. В кресле почти нет углового и торсионного напряжения, поэтому почти все молекулы циклогексана находятся именно в этой конформации.

CH₃CH₃ ⇌ CH₃ аксиальный (оранжевый): 7,3 kJ/mol, 5 % CH₃ экваториальный (синий): 0, 95 %
Метилциклогексан. Слева: CH₃ аксиальный. Справа, после инверсии цикла: CH₃ экваториальный. Более толстые связи цикла ближе к вам.

Аксиальные и экваториальные связи

  • Аксиальные связи параллельны оси цикла. Они направлены строго вверх или вниз и чередуются по циклу: вверх, вниз, вверх.
  • Экваториальные связи направлены наружу вдоль «экватора». Каждая из них параллельна двум связям цикла, отстоящим на один атом углерода.
  • У каждого атома углерода аксиальная и экваториальная связи направлены к противоположным сторонам. Если аксиальная связь направлена вверх, экваториальная слегка наклонена вниз.

Инверсия цикла

При комнатной температуре цикл переходит из одного кресла в другое примерно 100 000 раз в секунду (барьер около 45 kJ/mol). При инверсии каждое аксиальное положение становится экваториальным, а каждое экваториальное — аксиальным. Группа, направленная вверх, остаётся вверху. Поэтому цис и транс никогда не меняются при инверсии цикла.

A-значения и более устойчивое кресло

Аксиальная группа находится близко к двум аксиальным атомам водорода через два атома углерода на той же стороне. Эти 1,3-диаксиальные взаимодействия делают кресло с аксиальной группой менее устойчивым. A-значение — разность свободных энергий ΔG° аксиального и экваториального кресел монозамещённого циклогексана.

ГруппаA-значение (kJ/mol)% экваториального при 298 K
F1.060%
Cl2.271%
OH3.681%
CH₃7.395%
CH(CH₃)₂9.298%
C₆H₅11.799%
C(CH₃)₃20.5более 99,9 %

Чтобы перевести ΔG в соотношение, используйте ΔG° = −RT ln K. При 298 K RT = 2,48 kJ/mol. Для метила: K = e7.3/2.48 = 19, то есть 19 экваториальных молекул на одну аксиальную, или 95 %.

Две и более группы

  1. Нарисуйте оба кресла. Каждая группа остаётся на своей стороне (вверху или внизу).
  2. Для каждого кресла сложите A-значения всех аксиальных групп.
  3. Добавьте ещё около 8 kJ/mol, если две группы (не H) аксиальны на одной стороне и находятся в положении 1,3 друг к другу. Добавьте 3,8 kJ/mol для двух углеродных групп у соседних атомов в гош-положении (обе экваториальные или одна аксиальная и одна экваториальная).
  4. Более устойчиво кресло с меньшей суммой. ΔG — разность сумм.

Как пользоваться инструментом для кресел и проекций Ньюмена

  1. Откройте инструмент для конформаций кресла и проекций Ньюмена. Открыта вкладка Конформации кресла.
  2. Нажмите пример, например транс-1,2-Диметил, или выберите группу Up (wedge) и Down (dash) для C1–C6.
  3. Рассмотрите оба кресла. Аксиальные группы нарисованы оранжевым, экваториальные — синим. Более устойчивое кресло помечено more stable.
  4. Изучите таблицу напряжений: каждое A-значение, 1,3-диаксиальное отталкивание и гош-взаимодействие, затем ΔG, K и доля каждого кресла в % при 298 K.
  5. Нажмите Анимировать инверсию цикла, чтобы посмотреть, как аксиальные группы становятся экваториальными. Сохраните рисунок кнопкой Скачать SVG или Скачать PNG.
  6. Откройте вкладку Проекция Ньюмена, выберите Бутан (C2–C3), затем двигайте ползунок или нажмите +60°, Анти (180°) или Анимировать 360°. График показывает энергию при каждом угле.

Разобранные примеры

1. транс-1,2-Диметилциклогексан

В одном кресле обе метильные группы экваториальны. Они находятся в гош-положении, поэтому напряжение 3,8 kJ/mol. В перевёрнутом кресле обе аксиальны: 2 × 7,3 = 14,6 kJ/mol. ΔG = 14,6 − 3,8 = 10,8 kJ/mol, K = 78, то есть 98,7 % диэкваториального.

2. цис-1,3-Диметилциклогексан

В цис-1,3-изомере группы либо обе экваториальны, либо обе аксиальны. Диаксиальное кресло: 2 × 7,3 плюс около 8 за 1,3-диаксиальное отталкивание CH₃/CH₃ — около 22,6 kJ/mol. Диэкваториальное: 0. Более 99,9 % диэкваториального.

3. цис-1-трет-Бутил-4-метилциклогексан

Одна группа обязательно аксиальна. трет-Бутил (20,5) обходится гораздо дороже метила (7,3), поэтому трет-бутил остаётся экваториальным, а метил становится аксиальным. ΔG = 13,2 kJ/mol, более 99 % одного кресла. трет-Бутил «запирает» цикл.

4. Ментол

В (−)-ментоле группы OH, изопропил и метил в одном кресле могут быть все экваториальными, поэтому это кресло сильно преобладает. В перевёрнутом кресле все три были бы аксиальными.

5. Бутан: гош и анти

Гош-бутан на 3,8 kJ/mol выше анти, и гош-форм две. K = 2 × e−3.8/2.48 = 0,43, то есть при 298 K около 70 % анти и 30 % гош.

Проекции Ньюмена

Проекция Ньюмена — это взгляд строго вдоль одной связи C–C. Передний атом углерода — точка; его три связи сходятся в центре. Задний атом углерода — окружность; его связи начинаются от её края. Угол между связью переднего и связью заднего атома — двугранный (торсионный) угол.

Чтобы самостоятельно вращать связь и видеть каждую конформацию с её двугранным углом и напряжением, щёлкните связь в редакторе правой кнопкой и выберите Newman Projection: см. проекции Ньюмена в MolDraw.

CH₃HHCH₃HHАнти, 180°: 0 kJ/molCH₃HHCH₃HHГош, 60°: 3,8 kJ/molCH₃HHCH₃HHПолностью заслонённая, 0°: 19 kJ/mol
Бутан вдоль C2–C3. Передние группы зелёные, задние — фиолетовые. Полностью заслонённая форма нарисована с небольшим сдвигом, чтобы были видны обе метильные группы.
Конформация бутанаДвугранный угол (CH₃ к CH₃)Энергия (kJ/mol)Составляющие напряжения
Анти (заторможенная)180°0нет
Гош (заторможенная)60°, 300°3.8CH₃/CH₃ гош
Заслонённая120°, 240°162 × H/CH₃ (6,0) + H/H (4,0)
Полностью заслонённая0°19CH₃/CH₃ (11) + 2 × H/H (4,0)

Для этана три заслонённых взаимодействия H/H дают барьер 12 kJ/mol; для пропана (2 H/H + 1 H/CH₃) — 14 kJ/mol.

Сводная таблица

ТерминЗначение
АксиальнаяСвязь параллельна оси цикла, строго вверх или вниз
ЭкваториальнаяСвязь направлена наружу от цикла, параллельно связям цикла через один атом углерода
Инверсия циклаАксиальное ⇄ экваториальное у каждого атома углерода; верх остаётся верхом
A-значениеΔG° (аксиальное − экваториальное) для одной группы; CH₃ 7,3 kJ/mol
ΔG° = −RT ln K5,7 kJ/mol меняют K в десять раз при 298 K
Заторможенная / заслонённаяДвугранный угол 60°, 180° / 0°, 120°
Анти / гошКрупнейшие группы на 180° / 60° друг от друга

Частые ошибки

  • Превращение цис в транс при инверсии цикла. Инверсия цикла никогда не меняет цис и транс.
  • Мнение, что цис всегда значит «обе экваториальные». Для 1,2 и 1,4 цис — это аксиальная плюс экваториальная. Для 1,3 цис — диэкваториальная или диаксиальная.
  • Аксиальные связи под углом. Они вертикальны.
  • Забытое гош-взаимодействие в диэкваториальном транс-1,2-диметилциклогексане.
  • Использование °C в ΔG = −RT ln K. Используйте кельвины.
  • Название «полностью заслонённой» для заслонённой формы бутана при 120°. Полностью заслонённая означает CH₃ за CH₃ при 0°.

Советы к экзамену

  • JEE и NEET: знайте порядок устойчивости конформеров бутана (анти > гош > заслонённая > полностью заслонённая) и то, что кресло устойчивее твист-ванны, ванны и полукресла.
  • AP Chemistry и A-level: умейте объяснять устойчивость стерическим напряжением: объёмные группы предпочитают экваториальное положение.
  • Органическая химия в вузе: рассчитывайте ΔG по A-значениям и переводите в K и % заселённости. Помните, что трет-бутил «запирает» цикл, а цис-1,4-ди-трет-бутилциклогексан принимает конформацию твист-ванны.
  • Рисуя кресло на экзамене, сначала проведите аксиальные связи (строго вверх и вниз), затем экваториальные — параллельно связям цикла.

Вопросы и ответы

Чем аксиальное положение отличается от экваториального?

Аксиальные связи параллельны оси кресла и направлены строго вверх или вниз. Экваториальные связи направлены наружу по периметру цикла. У каждого атома углерода цикла одна аксиальная и одна экваториальная связь, направленные к противоположным сторонам.

Почему крупные группы предпочитают экваториальное положение?

Аксиальная группа находится близко к двум аксиальным атомам водорода через два атома углерода на той же стороне. Эти 1,3-диаксиальные взаимодействия требуют энергии. Экваториальная группа направлена от цикла и избегает их.

Каково A-значение метильной группы?

Около 7,3 kJ/mol (1,74 kcal/mol). Это даёт K = 19 при 298 K, поэтому метилциклогексан примерно на 95 % находится в экваториальной форме.

Меняет ли инверсия цикла цис на транс?

Нет. Инверсия цикла превращает аксиальное положение в экваториальное и обратно, но группа, направленная вверх, остаётся вверху. Цис и транс зависят только от сторон цикла, поэтому не меняются.

Какая конформация бутана самая устойчивая?

Анти-конформация, в которой две метильные группы развёрнуты на 180°. Гош-конформация выше на 3,8 kJ/mol, заслонённая — на 16, полностью заслонённая — на 19 kJ/mol.

Как рассчитать долю каждого кресла?

Найдите ΔG между креслами, затем K = e^(−ΔG/RT), где R = 8,314 J/(mol·K), а T в кельвинах. Доля более устойчивого кресла равна K/(1 + K) при K больше 1.

Почему трет-бутил «запирает» цикл?

Его A-значение около 20,5 kJ/mol, поэтому при комнатной температуре экваториальное кресло преобладает в соотношении более 3000 к 1. Цикл почти никогда не находится в кресле с аксиальным трет-бутилом.

Похожие инструменты и руководства

Связанные инструменты

Полезные руководства

Последнее обновление: