影响构象稳定性的因素—基础有机化学习题详细3
知识点：影响构象稳定性的因素（参见：影响构象稳定性的因素—有机反应机理系列27）
构象异构（Conformational isomerism）指由于原子环绕于化学键四周，而导致结构式相同，却具有化学构象或构象异构体之差异的分子现象。
影响构象稳定性的因素主要包括：扭张力、非键相互作用、偶极-偶极相互作用、立体电子效应、氢键、共轭效应、邻位交叉效应等。
1 扭张力
扭张力是指与分子二面角有关的一种影响构象稳定性的因素。例如，对于乙烷分子，构象转化的自由能图如下：
旋转中出现三个交叉构象和三个重叠构象，能量相差12.1 kJ·mol－1，用空间位阻解释不能令人信服。氢原子半径只有0.032 nm；C—C单键键长0.154 nm，即使分子处于重叠式，氢原子之间的距离也大于0.215 nm，约为氢原子半径的7倍，不可能产生如此大的空间位阻。因而认为12.1 kJ·mol－1的能量差是由扭张力引起的。扭张力产生的原因还有待更深入的探讨，可能是由立体电子效应引起的，即交叉式有利于轨道的重叠。
2 邻位交叉式丁烷相互作用
邻位交叉式丁烷相互作用是一种非键相互作用 (nonbonded interaction)，指的是由于空间因素引起的原子或基团之间的排斥或吸引而造成的构象稳定性的差别。例如，正丁烷的邻位交叉式构象较对位交叉式构象能量高3.3 kJ·mol－1，说明正丁烷C2、C3上的两个甲基处于邻位交叉式时，存在一定的非键排斥，这种作用称作“邻位交叉式丁烷相互作用” (gauche butane interaction)。
利用“邻位交叉式丁烷相互作用”分析烷烃的构象
例如，甲基环己烷的构象平衡
构象B分子中甲基处于平伏键，与3，5位上的亚甲基处于对位交叉式。构象A分子中甲基处于直立键，与3，5位上的亚甲基处于邻位交叉式，即存在两个“邻位交叉式丁烷相互作用”。因此，构象A的能量较构象B的能量高，能量差ΔG可按下式估算。
实验测定的ΔG为－7.1 kJ·mol－1，称为甲基的构象自由能，表示甲基处于环己烷平伏键和处于直立键时的自由能差。某些常见基团X的构象自由能ΔΔG列入下表中：
根据上表的数据，可以估算环己烷衍生物构象的相对稳定性。例如，对于叔丁基环己烷的构象互变：
计算表明叔丁基几乎全部处于平伏位，处于直立位的比例不到万分之一。因此，常常往环己烷衍生物分子中引入叔丁基，使其只以一种构象存在，但构象转化的速率仍有可能是很快的。
3 偶极-偶极相互作用
偶极-偶极相互作用(dipole-dipole interaction)就是带电荷的原子或基团之间的相互作用。偶极-偶极相互作用分为排斥和吸引两种情况。
例如，a-卤代羰基化合物以羰基氧与卤素处于反式的构象为稳定构象，就是偶极-偶极相互排斥影响构象稳定性的例子。
4 立体电子效应
这种立体电子效应的一个著名的例子就是在糖化学构象中所谓的“异头碳效应”。如果在异头碳原子上有一个电负性比较大的取代基(如氧原子或氟原子) (X)，那么这个取代基更倾向于处在竖轴键的方向，而很少会处在平伏键的位置。这两构象在稳定性方面大约有6 kcal·mol-1能量差别，它是由于处在竖轴键的方向的氧原子上的孤电子对(n)和C－X键的反键轨道之间的交盖n-σ*在能量上更加有利引起的。
上图1,2-二氟乙烷更倾向于以间扭式gauche构象存在。这是由于富电子的C-H键的成键轨道σ和相邻碳原子上的C-F键的反键轨道σ*间的交盖而引起的，有0.5～0.9 kcal·mol-1能量的降低。
5 氢键
邻二醇分子的稳定构象往往是羟基处于邻位交叉式，这是因为形成氢键的缘故。
6 共轭效应
丁二烯的稳定构象是四个P轨道共平面，有利于共轭效应，其中反式构象最稳定，顺式构象次之，邻位交叉式(skew)最不稳定。
参考教材《基础有机化学》，邢其毅、裴伟伟、徐瑞秋、裴坚，北京大学出版社，第4版，上册，习题6.4（p220）
1,1,2-三氯乙烷有A、B、C三种稳定的构象异构体。其中A和B稳定性相同，与C在气相中的势能差为10.9 kJ/mol。
（1） 画出A、B、C的构象。那种更稳定？
A和B最稳定，位阻和扭张力都较小。
（2） C在液相中势能差降低到0.8 kJ/mol，请解释原因。
在液相中降低了邻交叉的偶极-偶极相互作用，排斥力降低，故势能差降低。
（3） A、B两种构象互相转化约需转动能垒8.4 kJ/mol，A或B转化为C约需20.9 kJ/mol。请解释为什么转动能垒不同。
A与B相互转化，需要经过重叠型构象D；A或B转化为C，需要经过重叠型构象E。E的势能明显高于D（位阻和扭张力更大），因此A或B转化为C的转能能垒更高。