--- title: "椅式构象与纽曼投影式：直立键、平伏键与 A 值 | MolDraw 博客" url: https://www.moldraw.com/zh/blog/chair-conformation-newman-projection-guide.html description: "如何画环己烷椅式构象、放置直立键和平伏键上的基团、用 A 值找出更稳定的椅式，以及如何读懂纽曼投影式和丁烷能量图。" lang: zh-CN publisher: Scidart Academy generated: 2026-10-26 --- # 椅式构象与纽曼投影式：分步指南，附免费绘图工具 发布：2026年10月19日 · 作者：Scidart Academy · 阅读时间：约 8 分钟 ![甲基环己烷的键线式结构，它是椅式构象中直立和平伏甲基的教科书示例](https://www.moldraw.com/blog/thumbs/chair-conformation-newman-projection-guide.webp) 环翻转使甲基环己烷的甲基从直立键转到平伏键。 **简短回答：**在环己烷椅式构象中，每个碳都有一根**直立键**（竖直向上或向下）和一根**平伏键**（从环向外伸出）。环翻转会使两者互换。大基团倾向于处在平伏键上：甲基处于直立键时要多付出 7.3 kJ/mol（即其 A 值），所以 25 °C 时甲基环己烷 95% 为平伏构象。在纽曼投影式中，交叉式构象能量最低；丁烷的对位交叉式为 0，邻位交叉式 3.8，重叠式 16，全重叠式 19 kJ/mol。免费的[椅式和纽曼投影式绘制工具](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/chair-conformation-newman-projection.html)可以画出两种椅式、加总张力并绘制扭转能曲线。 ## 椅式构象 环己烷不是平面的。平面六边形的键角为 120°，且 C–H 键处于重叠状态。实际上环会折叠成**椅式**，每个 C–C–C 键角约为 109.5°，每根键都是交叉的。椅式几乎没有角张力和扭转张力，所以几乎所有环己烷分子都采取这种构象。 甲基环己烷。左：CH₃ 处于直立键。右，环翻转后：CH₃ 处于平伏键。较粗的环键离你较近。 ### 直立键与平伏键 - **直立键**与环的轴平行，竖直向上或竖直向下，沿环依次上、下、上交替。 - **平伏键**沿“赤道”向外伸出，每一根都与相隔一个碳的两根环键平行。 - 在每个碳上，直立键和平伏键指向相反的两面。如果直立键朝上，平伏键就略微朝下倾斜。 ### 环翻转 室温下环在两种椅式之间每秒翻转约 100 000 次（能垒约 45 kJ/mol）。环翻转时，所有直立位置都变为平伏位置，所有平伏位置都变为直立位置，而朝上的基团仍然朝上。这就是**环翻转永远不会改变顺反关系**的原因。 ## A 值与更稳定的椅式 直立键上的基团靠近同一面上相隔两个碳的两个直立氢原子。这些 **1,3-双直立相互作用**使直立椅式不够稳定。**A 值**是单取代环己烷的直立椅式与平伏椅式之间的自由能差 ΔG°。 | 点群 | A 值（kJ/mol） | 298 K 时平伏构象占比 | | --- | --- | --- | | F | 1.0 | 60% | | Cl | 2.2 | 71% | | OH | 3.6 | 81% | | CH₃ | 7.3 | 95% | | CH(CH₃)₂ | 9.2 | 98% | | C₆H₅ | 11.7 | 99% | | C(CH₃)₃ | 20.5 | 大于 99.9% | 要把 ΔG 换算成比例，可用 **ΔG° = −RT ln K**。298 K 时 RT = 2.48 kJ/mol。对甲基：K = e7.3/2.48 = 19，即每 1 个直立分子对应 19 个平伏分子，平伏占 95%。 ### 两个或更多基团 1. 画出两种椅式，保持每个基团所在的面（朝上或朝下）不变。 2. 对每种椅式，把所有直立基团的 A 值相加。 3. 如果两个基团（非 H）在同一面上处于 1,3 位且都是直立的，再加约 8 kJ/mol。相邻碳上的两个碳基团若为邻位交叉（都是平伏，或一个直立一个平伏），加 3.8 kJ/mol。 4. 总和较低的椅式更稳定，ΔG 就是两者总和之差。 ## 如何使用椅式构象和纽曼投影式绘制工具 1. 打开[椅式构象和纽曼投影式绘制工具](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/chair-conformation-newman-projection.html)，默认打开**椅式构象**选项卡。 2. 点击示例，例如**反-1,2-二甲基**，或为 C1 到 C6 选择**向上（楔形键）**和**向下（虚楔键）**的基团。 3. 查看两种椅式。直立基团用橙色绘制，平伏基团用蓝色绘制。更稳定的椅式标有**更稳定**。 4. 查看张力表：列出每个 A 值、1,3-双直立冲突和邻位交叉相互作用，以及 298 K 时的 ΔG、K 和每种椅式的百分比。 5. 点击**播放环翻转动画**，观察直立基团变为平伏。用**下载 SVG**或**下载 PNG**保存图形。 6. 打开**纽曼投影式**选项卡，选择**丁烷（C2–C3）**，然后拖动滑块，或点击 **+60°**、**对位交叉（180°）**或**播放 360° 动画**。曲线图显示每个角度下的能量。 ## 例题 ### 1. 反-1,2-二甲基环己烷 一种椅式中两个甲基都处于平伏键。两个甲基互为邻位交叉，张力为 3.8 kJ/mol。翻转后的椅式两个甲基都处于直立键：2 × 7.3 = 14.6 kJ/mol。ΔG = 14.6 − 3.8 = 10.8 kJ/mol，K = 78，因此**双平伏构象占 98.7%**。 ### 2. 顺-1,3-二甲基环己烷 在顺-1,3 异构体中，两个基团要么都平伏，要么都直立。双直立：2 × 7.3 加上 CH₃/CH₃ 1,3-双直立冲突约 8，共约 22.6 kJ/mol。双平伏：0。双平伏构象占 99.9% 以上。 ### 3. 顺-1-叔丁基-4-甲基环己烷 必须有一个基团处于直立键。叔丁基（20.5）的代价远大于甲基（7.3），所以叔丁基留在平伏键，甲基处于直立键。ΔG = 13.2 kJ/mol，其中一种椅式占 99% 以上。叔丁基“锁定”了环。 ### 4. 薄荷醇 在 (−)-薄荷醇中，OH、异丙基和甲基在同一种椅式中可以都处于平伏键，因此这种椅式占绝对优势。翻转后的椅式会使三者都处于直立键。 ### 5. 丁烷的邻位交叉与对位交叉 邻位交叉丁烷比对位交叉高 3.8 kJ/mol，且邻位交叉有两种。K = 2 × e−3.8/2.48 = 0.43，所以 298 K 时约 70% 为对位交叉，30% 为邻位交叉。 ## 纽曼投影式 纽曼投影式是沿一根 C–C 键直视得到的图。前碳是一个点，它的三根键在中心交汇；后碳是一个圆，它的键从圆周开始。前碳上一根键与后碳上一根键之间的夹角就是**二面角**。 想要自己旋转这根键、查看每种构象及其二面角和张力，可在编辑器中右键单击一根键并选择 Newman Projection：参见 [MolDraw 中的纽曼投影式](https://www.moldraw.com/zh/blog/newman-projection-rotate-conformations-guide.html)。 沿 C2–C3 键的丁烷。前方基团为绿色，后方基团为紫色。全重叠式稍微错开绘制，以便两个甲基都能看到。 | 丁烷的构象 | 二面角（CH₃ 与 CH₃） | 能量（kJ/mol） | 张力项 | | --- | --- | --- | --- | | 对位交叉（交叉式） | 180° | 0 | 无 | | 邻位交叉（交叉式） | 60°, 300° | 3.8 | CH₃/CH₃ 邻位交叉 | | 重叠式 | 120°, 240° | 16 | 2 × H/CH₃（6.0）+ H/H（4.0） | | 全重叠式 | 0° | 19 | CH₃/CH₃（11）+ 2 × H/H（4.0） | 乙烷的三个 H/H 重叠相互作用产生 12 kJ/mol 的能垒；丙烷（2 个 H/H + 1 个 H/CH₃）为 14 kJ/mol。 ## 汇总表 | 术语 | 含义 | | --- | --- | | 直立键 | 与环轴平行的键，竖直向上或向下 | | 平伏键 | 从环向外伸出的键，与相隔一个碳的环键平行 | | 环翻转 | 每个碳上直立 ⇄ 平伏；朝上的仍朝上 | | A 值 | 单个基团的 ΔG°（直立 − 平伏）；CH₃ 为 7.3 kJ/mol | | ΔG° = −RT ln K | 298 K 时 5.7 kJ/mol 使 K 改变十倍 | | 交叉式 / 重叠式 | 二面角 60°、180° / 0°、120° | | 对位交叉 / 邻位交叉 | 最大基团相隔 180° / 60° | ## 常见错误 - 在环翻转时把顺式变成反式。环翻转永远不会改变顺反关系。 - 以为顺式总是双平伏。对于 1,2 和 1,4 位，顺式是一个直立加一个平伏；对于 1,3 位，顺式是双平伏或双直立。 - 把直立键画成斜的。直立键是竖直的。 - 忘记双平伏的反-1,2-二甲基环己烷中的邻位交叉相互作用。 - 在 ΔG = −RT ln K 中使用 °C。应使用开尔文。 - 把 120° 的重叠式丁烷称为“全重叠式”。全重叠式是指 0° 时 CH₃ 正好在 CH₃ 后面。 ## 考试要点 - **JEE 和 NEET：**要知道丁烷构象的稳定性顺序（对位交叉 > 邻位交叉 > 重叠式 > 全重叠式），以及椅式比扭船式、船式和半椅式更稳定。 - **AP 化学和 A-level：**要能用空间张力解释稳定性：大基团倾向于处在平伏键上。 - **大学有机化学：**由 A 值计算 ΔG，并换算成 K 和各构象的百分比。记住叔丁基会锁定环，而顺-1,4-二叔丁基环己烷采取扭船式。 - 考试中画椅式时，先画直立键（竖直上下），再画与环键平行的平伏键。 ## 常见问题 ### 直立键和平伏键有什么区别？ 直立键（a 键）与椅式的轴平行，竖直向上或向下；平伏键（e 键）沿环向外伸出。每个成环碳原子都有一根直立键和一根平伏键，分别指向相反的两面。 ### 为什么大基团倾向于处在平伏键上？ 直立键上的基团靠近同一面上相隔两个碳的两个直立氢原子。这些 1,3-双直立相互作用会消耗能量。平伏键上的基团指向环外，可以避开它们。 ### 甲基的 A 值是多少？ 约 7.3 kJ/mol（1.74 kcal/mol）。在 298 K 时 K = 19，所以甲基环己烷约 95% 处于平伏构象。 ### 环翻转会让顺式变成反式吗？ 不会。环翻转会使直立键变为平伏键，反之亦然，但朝上的基团仍然朝上。顺式和反式只取决于基团在环的哪一面，所以不会改变。 ### 丁烷的哪种构象最稳定？ 对位交叉式，两个甲基相隔 180°。邻位交叉式高 3.8 kJ/mol，重叠式高 16 kJ/mol，全重叠式高 19 kJ/mol。 ### 如何计算每种椅式所占的百分比？ 先求出两种椅式之间的 ΔG，再由 K = e^(−ΔG/RT) 计算，R = 8.314 J/(mol·K)，T 用开尔文。当 K 大于 1 时，更稳定椅式所占的分数为 K/(1 + K)。 ### 为什么叔丁基能“锁定”环？ 它的 A 值约为 20.5 kJ/mol，因此室温下平伏椅式的优势超过 3000 比 1。环几乎从不处于叔丁基直立的椅式。 ## 相关工具和指南 ### 相关工具 [椅式构象与纽曼投影式绘制工具](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/chair-conformation-newman-projection.html) [费歇尔投影式转换器](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/fischer-projection-converter.html) [立体异构体枚举器](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/stereoisomer-enumerator.html) [R/S 手性判断工具](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/rs-chirality-finder.html) [3D 分子模型查看器](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/3d-molecular-model-viewer.html) [吉布斯自由能计算器](https://www.moldraw.com/zh/tools/free-chem-tools/gibbs-free-energy-calculator.html) ### 相关指南 [在编辑器中旋转纽曼投影式](https://www.moldraw.com/zh/blog/newman-projection-rotate-conformations-guide.html) [费歇尔投影式指南](https://www.moldraw.com/zh/blog/fischer-projection-guide.html) [立体异构体与内消旋化合物指南](https://www.moldraw.com/zh/blog/stereoisomers-meso-compounds-guide.html) [如何在 MolDraw 中画环己烷椅式](https://www.moldraw.com/learn/how-to-draw-rings-cyclohexane-chair-and-fused-rings/) [如何画楔形键和虚楔键](https://www.moldraw.com/learn/how-to-draw-stereochemistry-with-wedge-and-hash-bonds/) [3D 点群](https://www.moldraw.com/zh/blog/symmetry-plugin-point-groups-3d.html) [所有免费的 MolDraw 化学工具](https://www.moldraw.com/zh/blog/moldraw-all-free-chemistry-tools-guide.html) 最后更新：2026年10月19日