2009年9月6日 星期日

有機化學的基礎137 環烷的角張力和扭張力

 

1.       控制丁烷構象異構物平衡的因素(扭張力和立體張力),也同樣適用於環烷

2.       (異構物的官能基)重疊交互作用,所引起扭張力立體張力,較有利於交錯式staggered構象異構物,對重疊式異構物較不利,同時它們也對於大小環狀飽和碳氫化合物的三度空間結構,扮演重要的角色。

3.       有二個主要因素,會控制小型環狀化合物的構象異構物:角張力angle strain扭張力torsional strain

4.       注:角張力angle strain:來自於環骨架的化學鍵夾角;環上的碳原子,為了追求混成軌域的理想角度,而扭曲環,創造出最符合理想的鍵角。

5.       注:立體張力不會對小型碳氫環有什麼影響,因為所有未鍵結官能基的交互作用,都被涵蓋在扭張力裡面了。

6.       環丙烷cyclopropane,環上的碳原子成一平面,因為三點構成一平面,這使得「碳-C-H」化學鍵重疊。因此,環烷的環張力,其實是來自於角張力angle strain扭張力tortional strain

7.       類似的情況,也發生在平面的環丁烷cyclopropane,環丁烷受到角張力的影響,分子不穩定,因為鍵角90°,是比理想四面體角度109°小。甚至還產生額外的不穩定因素(扭張力)。

8.       環丁烷平面上,每個與它的取代基所形成的化學鍵,彼此重疊,更增加了分子的不穩定。

9.       因為(化學鍵)重疊eclipsing產生的扭張力,可透過曲摺puckered來減少,所以,不穩定的環丁烷,會透過曲摺來增加穩定度。

10.   環丁烷的曲摺構象異構物puckered conformation中,每個原子,都遠離其它3個原子的平面。

11.   環丁烷分子曲摺就可以減少重疊,也因此減低扭張力,雖然角張力會增加,因為曲摺後鍵角會小於90°。

12.   減少環張力,增加角張力,會讓環丁烷構象異構物的能量降到最低(更穩定),因此環丁烷基本上會從平面的狀態轉而曲折。(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry)

注:圖片,第230,231頁,可翻閱google提供的有限度瀏覽Mary Anne Fox, James K. Whitesell《有機化學Organic Chemistry

 

徐弘毅:

1.       要解決一個污染的問題、應用一種材質來建造房子,要操控一個物質,就必須了解它。

2.       研究環烷,觀念上必須先把它壓平,放在一個平面上,觀察它由幾個碳組成,碳骨架之間的角度,碳所鍵結的小分子群彼此的空間位置如何,然後我們才能夠了解,造成它穩定與不穩定的因素。

3.       如果所有的化學鍵,都互相平行,化學鍵或者原子彼此的斥力,會讓分子不平衡,這種不平衡的力量,稱為扭張力。

4.       如果化學鍵彼此的角度,小於最低能量的109°,那麼,就會有一種想掙開鍵角的不穩定力量,稱為角張力。

5.       雖然所有分子都想追求最穩定的狀態,但是有許多分子無法達成這個目標。例如環丙烷、環丁烷。

6.       環丙烷的平面形態,每個鍵角只有60°,遠遠小於最低能量的109°,角張力非常大;另一方面,環丙烷上的每個碳,彼此都非常靠近,因此,這些碳的取代基(氫原子),不得不互相平行,這又讓扭張力非常大。因此,環丙烷分子結構非常不穩定。

7.       環丁烷的平面形態,每個鍵角90°,遠遠小於最低能量的109°,角張力非常大;另一方面,環丙烷上的每個碳的化學鍵,互相平行,這又讓扭張力非常大。

8.       如果曲摺環丁烷骨架上的某一個碳原子,讓它離開其它3個碳構成的平面,雖然減少了扭張力,但是增加了角張力;不過,兩害相權取其輕,曲摺之後的環丁烷,相較之下還是較穩定的,所以,在自然的狀況下,多數的環丁烷會選擇保持曲摺的結構。

9.       科學家的工作,是了解物質世界的法則,區別各種物質變化背後的真實樣貌,順應物質的特性,靈活運用法則來解決問題。歷史學家的義務是,區別真實與虛偽,確實與不確實,曖昧與否認

10.   歌德:大多數的青年,已經完全適應時代的潮流而無法自拔了。於是,我不斷地想促使別人注意的動作,就是給予他們每人一個槳,並不是為了讓他們順從海浪的反覆無常,而是為了讓他們依自己的見識及意志與海浪搏鬥。

11.   我同情法國革命,我不贊成專制政治,我確信任何的革命過程中,國民是無辜的,政府才是有罪的。政府如果能做到經常性地公正,經常性地覺悟順應國民的意願,適時地改善,國民必然不會強行抵抗,更不會發起全民革命。

12.   我非常喜歡期待未來的所有改善。但是,一切的暴力事件、出乎意料的事件,卻完全違反本性,因為那是不自然的。三月種了玫瑰,要等到六月玫瑰花才能帶著濃郁的香味怒放,那是無比的幸福,但是,如果無法耐心等待最後一刻的人,最好還是去溫室看看現成的玫瑰花就好了。

13.   氣宇恢宏的天才,一直想超越他自己的世紀

14.   人類如果不知道要不斷地求知、求進步,那我們全部都會因過去而生,因過去而毀滅。

15.   真理,違反我們的生物本性。真理,要求我們應該認識限制我們自己的東西;而錯誤,則諂媚我們,並告訴我們不會受任何限制。

16.   即使人們想試著反抗自然,但終究還是遵循自然的法則。即使人們想試著與自然對抗,但終究仍還是和自然相互配合地工作。

 

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