空间位阻

当我们在有机化学中研究分子构象时，乙烷分子经常作为例子出现。乙烷构象的分析可能比我们想象的要复杂。

图1乙烷的极限构象(重叠的E和交叉的S)和势能变化411565568

乙烷的E不那么稳定，因为两个氢原子核之间的距离很短，比两个氢原子核的范德华半径加起来还短，产生了空间效应。位阻效应的产生会增加重叠e的分子能量，降低重叠e的稳定性，而交叉S的乙烷分子是最稳定的。

空间位阻的概念非常直观，重叠部分过于拥挤，需要错开一点，但这种基于我们宏观认知的描述并不严谨;在分子尺度上，更精确地说，空间位阻有两个因素:泡利电子交换和静电相互作用。

然而，如果乙烷的旋转势垒仅由范德华力(即。，则势垒明显过高(图1)，而两个氢原子又不够大，不足以形成如此高的势垒。

事实上，除了空间位阻，还有一个影响乙烷分子旋转势垒的因素:超共轭。如图2所示，超共轭是轨道电子从已占据轨道转移到邻近的空轨道而引起的电荷去局域化，它降低了总能量。

总结:决定乙烷构象的因素有三个:泡利电子交换、静电和超共轭。前两种效应产生空间位阻效应。

所以问题是，既然决定乙烷构象的因素各不相同，那么它们之间有什么关系呢?或者换句话说，是谁真正确定了乙烷的错列形式是最稳定的?

V和L的科学家的方法很简单，他们一次一个地排除变量，然后观察乙烷构象是如何变化的。

从图3可以看出，去除泡利电子交换前后乙烷分子的最佳构象，即能量最低的构象没有改变，仍然是交错构象。此外，去除泡利电子交换降低了从重叠到交叉的势垒，这意味着交叉能量更低，“优势”更大。因此，泡利电子交换不能解释乙烷最稳定的交错构象。

图3泡利电子交换:扭转角与能量411565568的关系

此外，静电作用的结果如图4所示。Ee是电子与电子之间的斥力，nn是原子核与原子核之间的斥力。

当分子骨架固定，只有两个碳原子之间的单键旋转时，交联更稳定。

但当考虑到所有的静态效应(即键长在旋转过程中会发生变化)时，重叠变得更加稳定。一种考虑方法是，旋转过程中积累的能量通过键的拉伸释放出来，导致更低更稳定的重叠。因此，静电相互作用不能解释乙烷的错列构象是最稳定的，甚至是最不稳定的。

图5所示。有机化学课程中常用的常用()和反键CH图中的乙烷

如图5所示，在乙烷分子中，超共轭是指碳原子成键轨道中的电子与相邻碳原子的反键轨道(null)的离域。根据轨道对称性原理，只有当原子轨道重叠的波函数为正或负时，电子才会成键或离域。我们可以看到，在乙烷的交错构象中，相同的正、负波函数重叠，产生超共轭效应，系统能量降低。在重叠的乙烷中，能量上升。

结论:讨论了空间位阻效应(泡利电子交换效应和静电效应)和超共轭效应对乙烷分子能量的影响。

微观和宏观规律不一样，熟悉量子力学的一些基本规律可以帮助我们更好地理解和分析微观问题。