Das Zeichnen der Stuhlform von Cycloalkanen (cyclischen Kohlenwasserstoffen) ist eine Möglichkeit, eine dreidimensionale Darstellung des Moleküls darzustellen. Im Stuhlmodell von Cyclohexan befinden sich die Kohlenstoffe 1, 3 und 5 oberhalb der Ebene und die Kohlenstoffe 2, 4 und 6 unterhalb der Ebene. In diesem Fall sind alle Winkel 110,9 ° – nahe dem idealen Bindungswinkel von 109,5 ° für Alkane, der der ideale Winkel der Tetraedergeometrie ist. Jedes Kohlenstoffatom im Ring hat seinen Wasserstoff oder Substituenten entweder in äquatorialer oder axialer Position. Äquatorial ist die Position, in der ein Substituent senkrecht zur Achse des Rings steht. Axial ist die Position, in der ein Substituent parallel zur Achse des Rings ist.
Äquatoriale und axiale Bindungen von Cyclohexan
Eine Flip-Chair-Konformation ist die Umwandlung einer Cyclohexan-Stuhl-Konformation in eine andere durch Rotation um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einzelbindungen. Wenn der Stuhl umgedreht wird, werden die axialen Positionen äquatorial und umgekehrt. Cyclohexan kann zwischen zwei Stuhlkonformationen wechseln. Wenn keine Substituenten vorhanden sind (Nichtwasserstoffatome oder -gruppen, die an den Ring gebunden sind), haben die beiden Formen die gleiche Energie. Wenn Substituenten hinzugefügt werden, haben die beiden Formen möglicherweise nicht die gleiche Energie, und das Molekül verbringt mehr Zeit in der stabileren Stuhlkonformation. Substituenten in äquatorialer Position bieten mehr Stabilität, da axiale Substituenten, die näher beieinander liegen, dazu neigen, ungünstig zu interagieren. Jeder Nichtwasserstoffsubstituent in axialer Position auf Cyclohexan erzeugt eine sterische Dehnung mit anderen Gruppen (einschließlich Wasserstoff) in jeder anderen axialen Position auf derselben Seite der Ebene. Dieser sterische Stamm wird als 1,3-diaxiale Wechselwirkung bezeichnet. Je größer eine Substituentengruppe ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich in der äquatorialen Position befindet, um den Stuhl zu stabilisieren und 1,3-diaxiale Wechselwirkungen zu vermeiden.
Equatorial versus Axial Substituent Positioning
Groups on a ring can exhibit cis and trans isomerism. Cis-Trans-Isomerie (oder Cis-trans) ist, wenn eines von zwei oder mehr Molekülen die gleiche Molekülformel und Bindungsstruktur aufweist, sich jedoch in den Positionen ihrer Substituenten um einen starren Teil des Moleküls unterscheidet. Cis-trans-Isomerie kann in einem Stuhl angezeigt werden, indem axiale und äquatoriale Positionen der Stuhlform verwendet werden. Cycloalkane können Substituenten an zwei Kohlenstoffatomen tragen, die sich entweder auf derselben Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten des Rings befinden. Substituenten auf derselben Seite sind cis zueinander und Substituenten auf gegenüberliegenden Seiten sind trans zueinander. Wenn ein Ring kippt, werden die axialen und äquatorialen Positionen interkonvertiert, aber cis und trans werden sich nicht ändern. Wenn eine Gruppe in einer Stuhlkonformation oben ist, wird sie in der anderen Stuhlkonformation oben sein.
Die cis-1,4-Dimethylcyclohexan-Konformationen sind von gleicher Stabilität, mit einer axialen und einer äquatorialen Methylgruppe in beiden Konform. Die beiden äquivalenten Stuhlkonformationen sind im Gleichgewicht. In trans-1,4-Dimethylcyclohexan ist die Konformation mit beiden Methylgruppen in äquatorialer Position stabiler. Während diese Konformen auch im Gleichgewicht sind, dominiert die stabilere Form dieses Gleichgewicht.
Die cis / trans-Bezeichnung bezieht sich nicht auf die äquatoriale oder axiale Position der Substituenten. Die äquatoriale/axiale Bestimmung wird durch die Position des Kohlenstoffatoms bestimmt, an das der Substituent gebunden ist. Wenn der Stuhl kippt, wird die axiale Position geändert, aber die Trans / Cis-Konformation bleibt gleich.