MolDraw › เครื่องมือเคมี › โปรแกรมวาดคอนฟอร์เมชันแบบเก้าอี้และภาพฉาย Newman
เครื่องมือวาดคอนฟอร์เมชันแบบเก้าอี้และภาพฉายนิวแมน
สรุปสั้น ๆ: เลือกหมู่แทนที่สำหรับ C1 ถึง C6 ของไซโคลเฮกเซน เพื่อวาดคอนฟอร์เมอร์แบบเก้าอี้ทั้งสองแบบพร้อมพันธะแนวแกนและแนวศูนย์สูตรที่ถูกต้อง และหาเก้าอี้ที่เสถียรกว่าจากค่า A พร้อมสัดส่วนประชากรที่ 298 K แท็บที่สองหมุนพันธะ C–C ใดก็ได้ในภาพฉาย Newman และพล็อตพลังงาน
ใช้ตรวจการบ้านเรื่องไซโคลเฮกเซนที่มีหมู่แทนที่สองหมู่แบบ cis/trans ดูการพลิกวง หรือเรียนรู้ว่าทำไมบิวเทนจึงชอบคอนฟอร์เมชันแบบ anti เลือกแต่ละหมู่ว่าชี้ขึ้น (ลิ่มทึบ) หรือชี้ลง (เส้นประ) เครื่องมือจะหาว่าพันธะใดอยู่ในแนวแกนในเก้าอี้แต่ละแบบ
หมู่บนคาร์บอนแต่ละตัว
ขึ้น = ลิ่มทึบ (เหนือวง) ลง = เส้นประ (ใต้วง) สองหมู่ที่อยู่ด้านเดียวกันเป็น cis อยู่คนละด้านเป็น trans
มุมไดฮีดรัล (หมุนคาร์บอนด้านหลัง)
ค่าความเครียด (kJ/mol)
หมู่ใดที่ไม่ใช่ H จะใช้ค่าของ CH₃ ค่าเหล่านี้เหมาะกับหมู่แอลคิล และเป็นแนวทางคร่าว ๆ สำหรับหมู่อื่น
วิธีใช้โปรแกรมวาดเก้าอี้และ Newman
- เลือกตัวอย่าง เช่น trans-1,2-ไดเมทิล หรือกำหนดหมู่ ขึ้น (ลิ่มทึบ) และ ลง (เส้นประ) ให้คาร์บอนแต่ละตัวตั้งแต่ C1 ถึง C6
- ดูเก้าอี้ทั้งสองแบบ พันธะแนวแกนเป็นสีส้มและชี้ตรงขึ้นหรือลง พันธะแนวศูนย์สูตรเป็นสีน้ำเงินและชี้ออกจากวง
- กล่องผลลัพธ์รวมความเครียดของเก้าอี้แต่ละแบบ (ค่า A การชนกันแบบ 1,3-ไดแอกเซียล และอันตรกิริยาแบบ gauche) แล้วให้ค่า ΔG, K และ % ของเก้าอี้แต่ละแบบที่ 298 K
- กด แสดงภาพเคลื่อนไหวการพลิกวง เพื่อดูหมู่แนวแกนทุกหมู่กลายเป็นแนวศูนย์สูตร ใช้ ดาวน์โหลด SVG หรือ ดาวน์โหลด PNG สำหรับจดบันทึก
- เปิดแท็บ ภาพฉาย Newman เลือกโมเลกุล แล้วเลื่อนแถบเลื่อนหรือกด +60° เพื่อเปลี่ยนระหว่างรูปแบบสลับและบดบัง กราฟพลังงานจะเปลี่ยนตามมุมไดฮีดรัล
พันธะแนวแกนและแนวศูนย์สูตรในเก้าอี้
ไซโคลเฮกเซนไม่ได้แบนราบ แต่พับเป็นรูปเก้าอี้ ที่มุม C–C–C ทุกมุมใกล้ 109.5° และพันธะ C–H ทุกพันธะอยู่ในแบบสลับ จึงแทบไม่มีความเครียดของวง คาร์บอนแต่ละตัวมีพันธะแนวแกนหนึ่งพันธะ ขนานกับแกนของวง (ชี้ตรงขึ้นหรือตรงลง) และพันธะแนวศูนย์สูตรหนึ่งพันธะ ชี้ออกไปรอบเส้นศูนย์สูตรของวง
- พันธะแนวแกนสลับขึ้น ลง ขึ้น ลง รอบวง
- พันธะแนวศูนย์สูตรแต่ละพันธะขนานกับพันธะในวงที่อยู่ห่างออกไปหนึ่งคาร์บอน
- บนคาร์บอนแต่ละตัว พันธะแนวแกนและแนวศูนย์สูตรชี้ไปคนละด้าน: ถ้าแนวแกนชี้ขึ้น แนวศูนย์สูตรจะชี้ลงเล็กน้อย
การพลิกวง
ที่อุณหภูมิห้อง วงจะพลิกประมาณ 105 ครั้งต่อวินาที (พลังงานกั้นประมาณ 45 kJ/mol) ในการพลิกวง พันธะแนวแกนทุกพันธะจะกลายเป็นแนวศูนย์สูตร และพันธะแนวศูนย์สูตรทุกพันธะจะกลายเป็นแนวแกน แต่ขึ้นยังคงขึ้นและลงยังคงลง ดังนั้น cis และ trans จะไม่เปลี่ยนเมื่อพลิกวง
ค่า A และความเครียดแบบ 1,3-ไดแอกเซียล
หมู่ในแนวแกนจะชนกับไฮโดรเจนแนวแกนสองตัวบนด้านเดียวกันที่อยู่ห่างออกไปสามคาร์บอน (อันตรกิริยา 1,3-ไดแอกเซียล) ค่า A คือพลังงานอิสระที่ต้องเสียเมื่อหมู่อยู่ในแนวแกนแทนแนวศูนย์สูตร
| หมู่ | ค่า A (kJ/mol) | % แนวศูนย์สูตรที่ 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% |
จากนั้น ΔG = −RT ln K โดย K = [เก้าอี้ 2]/[เก้าอี้ 1] ที่ 298 K, RT = 2.48 kJ/mol ดังนั้นทุก ๆ 5.7 kJ/mol จะทำให้ K เปลี่ยนสิบเท่า
วิธีที่เครื่องมือรวมความเครียด
- หมู่แนวแกนแต่ละหมู่เพิ่มค่า A ของตัวเอง
- สองหมู่ (ที่ไม่ใช่ H) ในแนวแกนด้านเดียวกัน ในตำแหน่ง 1,3 ต่อกัน จะเพิ่มอีกประมาณ 8 kJ/mol (การชนกันของ CH₃/CH₃ รวมประมาณ 15.4 kJ/mol)
- หมู่คาร์บอนสองหมู่บนคาร์บอนข้างเคียงที่อยู่ในแบบ gauche (แนวศูนย์สูตร–แนวศูนย์สูตร หรือแนวแกน–แนวศูนย์สูตร) จะเพิ่ม 3.8 kJ/mol เหมือนบิวเทนแบบ gauche หมู่ข้างเคียงที่เป็นไดแอกเซียลอยู่ในแบบ anti จึงไม่เพิ่มพลังงาน
ค่าเหล่านี้เป็นค่าประมาณแบบบวกกันได้ตามตำรา หมู่มีขั้วอาจได้รับผลจากพันธะไฮโดรเจนหรือไดโพลซึ่งการรวมแบบง่ายนี้ไม่ได้คิด
ภาพฉาย Newman แบบสลับและแบบบดบัง
ภาพฉาย Newman มองตรงลงไปตามพันธะ C–C หนึ่งพันธะ คาร์บอนด้านหน้าเป็นจุดที่พันธะทั้งสามมาบรรจบกัน คาร์บอนด้านหลังเป็นวงกลมที่มีพันธะเริ่มจากขอบ มุมระหว่างพันธะด้านหน้ากับพันธะด้านหลังคือมุมไดฮีดรัล (มุมบิด)
- แบบสลับ (staggered) (60°, 180°, 300°): พันธะด้านหลังอยู่ระหว่างพันธะด้านหน้า พลังงานต่ำที่สุด
- แบบบดบัง (eclipsed) (0°, 120°, 240°): พันธะด้านหลังซ่อนอยู่หลังพันธะด้านหน้า พลังงานสูงที่สุด จากความเครียดเชิงบิดรวมกับความเครียดเชิงสเตอริก
- Anti: หมู่ที่ใหญ่ที่สุดสองหมู่ห่างกัน 180° Gauche: ห่างกัน 60°
| อันตรกิริยา | พลังงาน (kJ/mol) |
|---|---|
| H/H บดบัง | 4.0 |
| H/CH₃ บดบัง | 6.0 |
| CH₃/CH₃ บดบัง | 11 |
| CH₃/CH₃ gauche | 3.8 |
บิวเทน (C2–C3): anti 0, gauche 3.8, บดบัง (CH₃/H สองครั้ง + H/H) 6 + 6 + 4 = 16, บดบังเต็มที่ (CH₃/CH₃ + 2 H/H) 11 + 4 + 4 = 19 kJ/mol อีเทน: พลังงานกั้น 3 × 4.0 = 12 kJ/mol
ตัวอย่างโจทย์
เมทิลไซโคลเฮกเซน
เก้าอี้ที่ CH₃ อยู่ในแนวแกน: 7.3 kJ/mol เก้าอี้ที่ CH₃ อยู่ในแนวศูนย์สูตร: 0 K = e7.3/2.479 = 19.0
แนวศูนย์สูตร 95% แนวแกน 5%
trans-1,2-ไดเมทิลไซโคลเฮกเซน
เก้าอี้แบบไดอิเควทอเรียล: CH₃/CH₃ แบบ gauche หนึ่งคู่ 3.8 เก้าอี้แบบไดแอกเซียล: 2 × 7.3 = 14.6 ΔG = 10.8 kJ/mol
ไดอิเควทอเรียล 98.7%
cis-1,3-ไดเมทิลไซโคลเฮกเซน
ไดอิเควทอเรียล: 0 ไดแอกเซียล: 2 × 7.3 + ประมาณ 8 สำหรับการชนกันแบบ 1,3-ไดแอกเซียลของ CH₃/CH₃ = 22.6 kJ/mol
ไดอิเควทอเรียล มากกว่า 99.9%
cis-1,4-ได-tert-บิวทิลไซโคลเฮกเซน
เก้าอี้แต่ละแบบมี tert-บิวทิลหนึ่งหมู่ในแนวแกน (20.5 kJ/mol) รูปเรือบิด (twist-boat) ที่ทั้งสองหมู่อยู่ในแนวเกือบศูนย์สูตรมีพลังงานใกล้เคียงกัน
วงเปลี่ยนจากเก้าอี้ไปเป็นรูปเรือบิด
บิวเทน gauche เทียบกับ anti
Gauche สูงกว่า anti 3.8 kJ/mol เมื่อมีรูป gauche สองแบบ K = 2e−3.8/2.479 = 0.43
anti ประมาณ 70% gauche 30% ที่ 298 K
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- คิดว่าการพลิกวงทำให้ cis เป็น trans ซึ่งไม่เคยเกิดขึ้น: ขึ้นยังคงขึ้น
- พูดว่า "cis หมายถึงแนวแกนทั้งคู่" ในวงที่มีหมู่แทนที่ 1,2 และ 1,4 cis คือแนวแกน–แนวศูนย์สูตร ในวง 1,3 cis คือไดอิเควทอเรียลหรือไดแอกเซียล
- วาดพันธะแนวแกนเอียง พันธะแนวแกนตั้งตรง ส่วนพันธะแนวศูนย์สูตรขนานกับพันธะในวงที่อยู่ห่างออกไปหนึ่งคาร์บอน
- รวมค่า A จากเก้าอี้ทั้งสองแบบ เก้าอี้แต่ละแบบคิดเฉพาะหมู่ที่อยู่ในแนวแกนในเก้าอี้นั้น
- ลืมอันตรกิริยาแบบ gauche ของบิวเทนระหว่างหมู่บนคาร์บอนข้างเคียง (trans-1,2 แบบไดอิเควทอเรียลยังมีอยู่หนึ่งคู่)
- ใช้ °C แทนเคลวินใน ΔG = −RT ln K
วาดไว้ในโน้ตของคุณ เปิดตัวแก้ไข MolDraw ฟรีเพื่อวาดเก้าอี้จากแม่แบบวง เพิ่มลิ่มและป้ายกำกับ แล้วส่งออกเป็น PNG หรือ SVG
เปิดตัวแก้ไข MolDraw ฉบับเต็มคำถามที่พบบ่อย
พันธะแนวแกน (axial) กับแนวศูนย์สูตร (equatorial) ต่างกันอย่างไร?
พันธะแนวแกนขนานกับแกนของเก้าอี้ และชี้ตรงขึ้นหรือตรงลง พันธะแนวศูนย์สูตรชี้ออกด้านนอก เกือบอยู่ในระนาบของวง คาร์บอนแต่ละตัวในวงมีพันธะแต่ละแบบอย่างละหนึ่งพันธะ และชี้ไปคนละด้านของวง
ทำไมตำแหน่งแนวศูนย์สูตรจึงเสถียรกว่า?
หมู่ที่อยู่ในแนวแกนจะอยู่ใกล้ไฮโดรเจนแนวแกนสองตัวที่อยู่ห่างออกไปสามคาร์บอนบนด้านเดียวกัน (อันตรกิริยา 1,3-ไดแอกเซียล) หมู่ที่อยู่ในแนวศูนย์สูตรชี้ออกจากวงจึงหลีกเลี่ยงอันตรกิริยานี้ได้ สำหรับหมู่เมทิล ความแตกต่างคือ 7.3 kJ/mol
ค่า A (A-value) คืออะไร?
ค่า A คือผลต่างพลังงานอิสระระหว่างไซโคลเฮกเซนที่มีหมู่แทนที่หนึ่งหมู่ในแนวแกนกับในแนวศูนย์สูตร ค่า A ยิ่งมากหมายถึงยิ่งชอบอยู่ในแนวศูนย์สูตร: F 1.0, OH 3.6, CH3 7.3, tert-บิวทิล ประมาณ 20.5 kJ/mol
จะหาร้อยละของเก้าอี้แต่ละแบบได้อย่างไร?
หา ΔG ระหว่างเก้าอี้ทั้งสองแบบ แล้วใช้ K = e^(−ΔG/RT) โดย R = 8.314 J/(mol·K) และ T เป็นเคลวิน สัดส่วนของเก้าอี้ที่เสถียรกว่าคือ K/(1 + K) เมื่อ K มากกว่า 1 สำหรับเมทิลไซโคลเฮกเซน K = 19 จึงเป็นแนวศูนย์สูตร 95%
การพลิกวงเปลี่ยน cis เป็น trans หรือไม่?
ไม่ การพลิกวงสลับแนวแกนกับแนวศูนย์สูตรบนคาร์บอนทุกตัว แต่หมู่ที่ชี้ขึ้นยังคงชี้ขึ้น cis และ trans ขึ้นอยู่กับว่าแต่ละหมู่อยู่ด้านใดของวงเท่านั้น
ทำไมคอนฟอร์เมชันแบบ anti ของบิวเทนจึงเสถียรที่สุด?
ในรูป anti หมู่เมทิลทั้งสองห่างกัน 180° และพันธะทุกพันธะอยู่ในแบบสลับ (staggered) บิวเทนแบบ gauche มีพลังงานสูงกว่า 3.8 kJ/mol เพราะหมู่เมทิลห่างกัน 60° และรูปแบบบดบัง (eclipsed) มีพลังงานสูงกว่า 16 และ 19 kJ/mol
โปรแกรมวาดเก้าอี้และ Newman ใช้ฟรีหรือไม่?
ใช่ ทำงานในเว็บเบราว์เซอร์โดยไม่ต้องสมัครสมาชิก และดาวน์โหลดภาพทุกภาพเป็น SVG หรือ PNG ได้
เครื่องมือเคมีที่เกี่ยวข้อง
อัปเดตล่าสุด: