MolDraw › Công cụ hóa học › Vẽ cấu dạng ghế và hình chiếu Newman
Vẽ cấu dạng ghế và hình chiếu Newman
Tóm tắt: Chọn nhóm thế cho C1 đến C6 của cyclohexane để vẽ cả hai cấu dạng ghế với liên kết trục và xích đạo chính xác, và biết dạng ghế bền hơn từ giá trị A cùng tỉ lệ phân bố ở 298 K. Tab thứ hai xoay bất kỳ liên kết C–C nào trong hình chiếu Newman và vẽ đồ thị năng lượng.
Dùng nó để kiểm tra bài tập về cyclohexane thế hai lần cis/trans, xem quá trình lật vòng, hoặc tìm hiểu vì sao butane ưu tiên cấu dạng anti. Chọn mỗi nhóm hướng lên (nêm) hoặc hướng xuống (gạch); công cụ tự xác định liên kết nào là trục trong mỗi dạng ghế.
Nhóm thế trên mỗi carbon
Lên = nêm (trên vòng), xuống = gạch (dưới vòng). Hai nhóm cùng phía là cis; khác phía là trans.
Góc nhị diện (xoay carbon phía sau)
Giá trị sức căng (kJ/mol)
Mọi nhóm khác H đều dùng giá trị của CH₃. Chúng phù hợp với nhóm alkyl và chỉ là ước lượng sơ bộ cho các nhóm khác.
Cách dùng công cụ vẽ dạng ghế và Newman
- Chọn một ví dụ như trans-1,2-Dimethyl, hoặc đặt nhóm Lên (nêm) và Xuống (gạch) cho mỗi carbon từ C1 đến C6.
- Đọc cả hai dạng ghế. Liên kết trục màu cam và hướng thẳng lên hoặc xuống. Liên kết xích đạo màu xanh lam và hướng ra ngoài vòng.
- Ô kết quả cộng sức căng của mỗi dạng ghế (giá trị A, va chạm 1,3-lưỡng trục và tương tác gauche), cho ΔG, K và % của mỗi dạng ghế ở 298 K.
- Nhấn Hoạt ảnh lật vòng để xem mọi nhóm trục trở thành xích đạo. Dùng Tải SVG hoặc Tải PNG cho ghi chép.
- Mở tab Hình chiếu Newman, chọn một phân tử, và kéo thanh trượt hoặc nhấn +60° để chuyển giữa dạng xen kẽ và che khuất. Đồ thị năng lượng đi theo góc nhị diện.
Liên kết trục và xích đạo trong dạng ghế
Cyclohexane không phẳng. Nó gấp thành dạng ghế với mọi góc C–C–C gần 109,5° và mọi liên kết C–H đều xen kẽ, nên gần như không có sức căng vòng. Mỗi carbon có một liên kết trục, song song với trục vòng (thẳng lên hoặc thẳng xuống), và một liên kết xích đạo, hướng ra quanh đường xích đạo của vòng.
- Liên kết trục luân phiên lên, xuống, lên, xuống quanh vòng.
- Mỗi liên kết xích đạo song song với các liên kết vòng cách nó một carbon.
- Trên mỗi carbon, liên kết trục và liên kết xích đạo hướng về hai phía đối diện: nếu trục hướng lên, xích đạo hơi hướng xuống.
Lật vòng
Ở nhiệt độ phòng, vòng lật khoảng 105 lần mỗi giây (rào năng lượng khoảng 45 kJ/mol). Khi lật, mọi liên kết trục trở thành xích đạo và mọi liên kết xích đạo trở thành trục, nhưng lên vẫn là lên và xuống vẫn là xuống. Vì vậy cis và trans không bao giờ thay đổi khi lật vòng.
Giá trị A và sức căng 1,3-lưỡng trục
Nhóm ở vị trí trục va chạm với hai hydrogen trục cùng phía, cách nó ba carbon (tương tác 1,3-lưỡng trục). Giá trị A là năng lượng tự do phải trả khi nhóm ở vị trí trục thay vì xích đạo.
| Nhóm | Giá trị A (kJ/mol) | % xích đạo ở 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% |
Khi đó ΔG = −RT ln K, trong đó K = [ghế 2]/[ghế 1]. Ở 298 K, RT = 2,48 kJ/mol, nên mỗi 5,7 kJ/mol làm K thay đổi mười lần.
Cách công cụ cộng sức căng
- Mỗi nhóm ở vị trí trục cộng thêm giá trị A của nó.
- Hai nhóm (không phải H) ở vị trí trục cùng phía, ở vị trí 1,3 với nhau, cộng thêm khoảng 8 kJ/mol (va chạm CH₃/CH₃ tổng cộng khoảng 15,4 kJ/mol).
- Hai nhóm carbon trên hai carbon kề nhau ở dạng gauche (xích đạo–xích đạo hoặc trục–xích đạo) cộng thêm 3,8 kJ/mol, như butane gauche. Hai nhóm kề nhau cùng ở vị trí trục là anti nên không cộng gì.
Đây là các ước lượng cộng tính theo sách giáo khoa. Nhóm phân cực còn có thể chịu ảnh hưởng của liên kết hydrogen hoặc lưỡng cực mà phép cộng đơn giản bỏ qua.
Hình chiếu Newman, xen kẽ và che khuất
Hình chiếu Newman nhìn thẳng dọc theo một liên kết C–C. Carbon phía trước là một điểm nơi ba liên kết của nó gặp nhau; carbon phía sau là vòng tròn với các liên kết xuất phát từ mép. Góc giữa một liên kết phía trước và một liên kết phía sau là góc nhị diện (góc xoắn).
- Xen kẽ (60°, 180°, 300°): các liên kết phía sau nằm giữa các liên kết phía trước. Năng lượng thấp nhất.
- Che khuất (0°, 120°, 240°): các liên kết phía sau bị che sau các liên kết phía trước. Năng lượng cao nhất, do sức căng xoắn cộng sức căng không gian.
- Anti: hai nhóm lớn nhất cách nhau 180°. Gauche: cách nhau 60°.
| Tương tác | Năng lượng (kJ/mol) |
|---|---|
| H/H che khuất | 4.0 |
| H/CH₃ che khuất | 6.0 |
| CH₃/CH₃ che khuất | 11 |
| CH₃/CH₃ gauche | 3.8 |
Butane (C2–C3): anti 0, gauche 3,8, che khuất (CH₃/H hai lần + H/H) 6 + 6 + 4 = 16, che khuất hoàn toàn (CH₃/CH₃ + 2 H/H) 11 + 4 + 4 = 19 kJ/mol. Ethane: rào năng lượng 3 × 4,0 = 12 kJ/mol.
Ví dụ minh họa
Methylcyclohexane
Dạng ghế có CH₃ ở vị trí trục: 7,3 kJ/mol. Dạng ghế có CH₃ ở vị trí xích đạo: 0. K = e7.3/2.479 = 19,0.
95% xích đạo, 5% trục
trans-1,2-Dimethylcyclohexane
Dạng ghế hai xích đạo: một tương tác gauche CH₃/CH₃, 3,8. Dạng ghế hai trục: 2 × 7,3 = 14,6. ΔG = 10,8 kJ/mol.
Hai xích đạo, 98,7%
cis-1,3-Dimethylcyclohexane
Hai xích đạo: 0. Hai trục: 2 × 7,3 + khoảng 8 cho va chạm 1,3-lưỡng trục CH₃/CH₃ = 22,6 kJ/mol.
Hai xích đạo, hơn 99,9%
cis-1,4-Di-tert-butylcyclohexane
Mỗi dạng ghế có một nhóm tert-butyl ở vị trí trục (20,5 kJ/mol). Dạng thuyền xoắn với cả hai nhóm ở vị trí giả xích đạo tốn năng lượng tương đương.
Vòng chuyển từ dạng ghế sang dạng thuyền xoắn
Butane, gauche so với anti
Gauche cao hơn anti 3,8 kJ/mol. Với hai dạng gauche, K = 2e−3.8/2.479 = 0,43.
Khoảng 70% anti, 30% gauche ở 298 K
Lỗi thường gặp
- Nghĩ rằng lật vòng biến cis thành trans. Điều đó không bao giờ xảy ra: lên vẫn là lên.
- Nói rằng "cis nghĩa là cả hai ở vị trí trục". Trong vòng thế 1,2 và 1,4, cis là trục–xích đạo; trong vòng thế 1,3, cis là hai xích đạo hoặc hai trục.
- Vẽ liên kết trục bị nghiêng. Liên kết trục thẳng đứng; liên kết xích đạo song song với các liên kết vòng cách nó một carbon.
- Cộng giá trị A của cả hai dạng ghế. Mỗi dạng ghế chỉ tính các nhóm ở vị trí trục trong chính nó.
- Quên tương tác butane gauche giữa các nhóm trên hai carbon kề nhau (trans-1,2 hai xích đạo vẫn có một tương tác).
- Dùng °C thay cho kelvin trong ΔG = −RT ln K.
Vẽ cho ghi chép của bạn. Mở trình soạn thảo MolDraw miễn phí để vẽ dạng ghế từ mẫu vòng, thêm nêm và nhãn, rồi xuất PNG hoặc SVG.
Mở trình soạn thảo MolDraw đầy đủCâu hỏi thường gặp
Liên kết trục và liên kết xích đạo khác nhau thế nào?
Liên kết trục song song với trục của dạng ghế và hướng thẳng lên hoặc thẳng xuống. Liên kết xích đạo hướng ra ngoài, gần như nằm trong mặt phẳng vòng. Mỗi carbon trong vòng có một liên kết mỗi loại, và chúng hướng về hai phía đối diện.
Vì sao vị trí xích đạo bền hơn?
Nhóm ở vị trí trục nằm gần hai hydrogen trục cách nó ba carbon ở cùng phía (tương tác 1,3-lưỡng trục). Nhóm ở vị trí xích đạo hướng ra xa vòng và tránh được chúng. Với nhóm methyl, chênh lệch là 7,3 kJ/mol.
Giá trị A là gì?
Giá trị A là chênh lệch năng lượng tự do giữa cyclohexane thế một lần có nhóm thế ở vị trí trục và ở vị trí xích đạo. Giá trị A càng lớn nghĩa là càng ưu tiên vị trí xích đạo: F 1,0, OH 3,6, CH3 7,3, tert-butyl khoảng 20,5 kJ/mol.
Làm sao tính phần trăm của mỗi dạng ghế?
Tìm ΔG giữa hai dạng ghế, rồi dùng K = e^(−ΔG/RT) với R = 8,314 J/(mol·K) và T tính bằng kelvin. Tỉ lệ của dạng ghế bền hơn là K/(1 + K) khi K lớn hơn 1. Với methylcyclohexane K = 19, nên 95% ở dạng xích đạo.
Lật vòng có đổi cis thành trans không?
Không. Lật vòng hoán đổi trục và xích đạo trên mọi carbon, nhưng nhóm hướng lên vẫn hướng lên. Cis và trans chỉ phụ thuộc vào việc mỗi nhóm nằm ở phía nào của vòng.
Vì sao cấu dạng anti của butane bền nhất?
Ở dạng anti, hai nhóm methyl cách nhau 180° và mọi liên kết đều xen kẽ. Butane gauche cao hơn 3,8 kJ/mol vì hai nhóm methyl cách nhau 60°, còn các dạng che khuất cao hơn 16 và 19 kJ/mol.
Công cụ vẽ dạng ghế và Newman có miễn phí không?
Có. Nó chạy trên trình duyệt của bạn, không cần đăng ký, và bạn có thể tải mọi hình vẽ dưới dạng SVG hoặc PNG.
Công cụ hóa học liên quan
Cập nhật lần cuối: