環己烷

Posted on 2014/10/30 in 化學, 有機化合物, 有機化學 with 沒有迴響 22,284 views

環己烷 (Cyclohexane)
國立臺灣師範大學化學系碩士班一年級鍾長志

環己烷的樣貌是一個正六邊形的化合物。在化學的世界裡，卻是以一個很舒適的姿態呈現它自己的樣貌，就是「椅形體」。

(圖一)

環己烷是一個特別的化合物，在這個椅形體的以地球經度線的方向稱為軸(axial)，以地球的緯度線方向稱為赤道(equatorial)。由(圖一)可以看出，氫原子它們彼此有擁自己的一個空間，它們處於一個很自由的狀態。更特別的是，環己烷本身會翻轉（flip）。可以藉由分子模型來觀察flip的現象，參考(圖二)，在沒有體積較大的取代基狀況下，軸向位置和在赤道位置會互換。有趣的是，環己烷在沒有體積較大的取代基下，環己烷的翻轉速度非常快，常溫下其分子翻轉約可以達到每秒十萬次。透過環己烷的分子模型，也可以了解到這個椅形體很容易翻轉，因此可以得知這個六元環是很柔軟的。

(圖二)

人就和化合物一樣，都喜歡以最舒爽的姿態來呈現自己放鬆的型態。化合物也一樣，它們持續的作了振動、移動、轉動等等運動，也會以一個舒爽的姿態來做這些事情，達到消耗最少能量。圖三為六員環在變換各種構型下所需的能量。

(圖三)

然而，環己烷上若有取代基，而取代基的位置軸(axial)的位置或是赤道(equatorial)的位置上又是不同的概念，如圖四。

(圖四)

上兩圖為一個具有甲基取代的環己烷，它們分別為佔據在軸向或赤道向上的甲基，然而，在赤道位置有甲基取代的環己烷椅形體比起在軸向位置有甲基取代的環己烷椅形體有較穩定的構形，為什麼呢？

(圖五)

從紐曼式投影(Newman projection)，(圖五)可以清楚的觀察到在軸上的甲基和彼此鄰近的基團較為靠近，所造成的斥力比在赤道位置上的甲基和鄰近基團較為大。另外，氫或取代基在此構形上的位置上會有相互影響，我們又將這個影響的效應稱做 1,3-兩軸交互作用(1,3-diaxial interaction)。因此體積越大的取代基於赤道上，相對於在軸上較來的穩定(圖六) 。

(圖六)

另外，延伸出一有趣的事情，如果是兩個環己烷接在一起，也就是俗稱的十氫萘(decalin)，它們哪個構形較穩定呢?(圖七)

(圖七)

答案是 trans-decalin，把一個環己烷視為主體，另一個環己烷為主體的取代基， trans-decalin是一個環己烷的兩個赤道位置上接了另外一個環己烷，而cis-decalin則是於一個環己烷的一個赤道位置和一個軸位置接上另一個環己烷，依照上述所討論過的，取代基團在赤道的位置上的構形會比取代基團位於軸上的構形來的穩定，由下圖可以觀察到cis-decalin上的氫相對於trans-decalin上的氫更為靠近，因此在構形穩定度上面 trans-decalin較為穩定(圖八)。