辨析基础有机化学教材中的争议问题：乙烷构象稳定性的来源

doi:10.3866/PKU.DXHX202307060

摘要/Abstract

摘要：

烷烃的构象及其稳定性是基础有机化学中重要的知识点，其中乙烷的交叉式与重叠式构象是其中最基础的部分。现行的国内外本科基础有机化学教材中关于乙烷的交叉式构象比重叠式构象稳定的原因给出了不同的解释，比较混乱，不易于本科教学。本文调研了文献，梳理出乙烷交叉式构象稳定性来源的不同论点和论据，并指出先前文献分析与计算方法的不足。通过文献调研，我们认为超共轭效应和空间位阻效应两种因素都需要写入教材中。

关键词: 乙烷的构象, 库仑力, 泡利斥力, 位阻效应, 超共轭效应

Abstract:

The conformations of alkanes and their stability are important topics in basic organic chemistry. Among them, the staggered and eclipsed conformations of ethane are the most fundamental. Current undergraduate organic chemistry textbooks both domestically and internationally provide different explanations for the stability of the staggered conformation of ethane compared to the eclipsed conformation, leading to confusion and making it difficult for undergraduate teaching. In this study, we conducted a survey of literatures, organized different arguments and evidence for the stability of the staggered conformation of ethane, and pointed out the shortcomings of analysis and calculation methods in previous literatures. Through literature research, we believe that both hyperconjugation and steric hindrance should be included in the textbooks.

Key words: Ethane conformation, Coulombic force, Pauli repulsion, Steric effect, Hyperconjugation

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链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202307060

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2024/V39/I1/325

图/表 5

图1

表1

表2

图2

图3

参考文献 34

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教材	主要作者	出版年份	解释
《基础有机化学》(第3版)	邢其毅	2005	两个氢核之间的距离小于两个氢原子van der Waals半径之和，因此有排斥力
《基础有机化学》(第4版)	邢其毅	2017	两个氢核之间的距离小于两个氢原子van der Waals半径之和，因此有排斥力
《有机化学》(第2版)	胡宏纹	1990	相邻碳原子上C―H键的电子云互相排斥
《有机化学》(第3版)	胡宏纹	2006	超共轭作用是主要因素
Organic Chemistry (2nd ed.)	J. Clayden	2012	超共轭效应和空间位阻均影响构象能量
Organic Chemistry (4th ed.)	M. Jones Jr.	2015	一部分来源于库伦力，而更主要的来源是泡利斥力
Organic Chemistry (3rd ed.)	J. G. Smith	2011	电子-电子相互排斥使得重叠式构象能量升高
Organic Chemistry (8th ed.)	P. Y. Bruice	2015	超共轭是主要的稳定因素

文献	年份	结论
[13]	1932	位阻因素是乙烷交叉式构象稳定的原因，其中库伦斥力使构象倾向于重叠式
[14]	1939	“不对称性”和“C―C键的部分双键性”是交叉式构象稳定的原因，位阻因素不足以解释3 kcal∙mol⁻¹ (13 kJ∙mol⁻¹)的能垒
[15]	1939	乙烷中可能有超共轭效应，但不是交叉式稳定的主要原因
[16]	1941	乙烷中有超共轭效应，该效应影响了乙烷的C―C键长
[17]	1949	位阻因素是交叉式构象稳定的原因
[18]	1951	位阻因素可能不是交叉式构象稳定的原因
[19]	1958	H―C―C―H“六电子离域键”(可以称为超共轭)是交叉式构象稳定的一个原因，“轨道弯曲”(Orbital Bending)也有影响，位阻因素不是主要原因
[20]	1965	位阻因素是乙烷交叉式构象稳定的原因
[21]	1968	位阻因素(仅包括泡利斥力)是乙烷交叉式构象稳定的原因
[22]	1970	超共轭效应可能是乙烷交叉式构象稳定的原因
[23]	1971	超共轭效应是乙烷交叉式构象稳定的原因
[24]	1972	位阻因素和超共轭效应都可能是乙烷交叉式构象稳定的原因，在较大的分子(例如正丁烷)中位阻因素的作用更明显
[25]	1972	位阻因素(仅包括泡利斥力)是乙烷交叉式构象稳定的原因
[26]	1982	C―C键长固定的模型不能准确解释乙烷交叉式构象稳定的原因
[27]	1999	乙烷交叉式构象稳定是位阻因素和超共轭效应的综合结果，而泡利斥力倾向于重叠式
[11]	2001	超共轭效应是乙烷交叉式构象稳定的原因，库伦力倾向于重叠式，泡利斥力不重要
[28]	2003	泡利斥力占据绝对主导
[29]	2005	位阻因素主导
[30]	2007	位阻因素主导
[31]	2016	超共轭主导
[32]	2022	位阻和超共轭作用均有，超共轭的贡献更大
[33]	2023	泡利斥力主导

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