环己烷的六个成环碳原子不共平面,C-C-C键键角约为109.5,是无张力环。椅型构象和船型构象是环己烷的两种极限构象。通过键角的扭动和绕。键的旋转,椅型构象和船型构象可以相互转变,如图2-12所示。
椅型构象和船型构象都保持了正常键角,不存在角张力,但从Newman投影式[见图2-12(b)]中可以看出,椅型构象中所有相邻两个碳原子的碳氢键均处于邻位交叉式位置。而在船型构象中,C2与C3之间和C5与C6之间(即船底)的碳氢键则处于全重叠式位置,从而存在扭转张力;另外,在船型构象中C1和C4两个向内上侧伸展的碳氢键相距较近[0.18 nm,见图2-12(a)],两个氢原子的距离小于其van der Waals半径之和(0.24 nm),因此产生排斥力,即非键张力。由于这两种张力的存在,船型构象的能量比椅型构象的能量高约30kJ·mol '。因此椅型构象是环己烷的优势构象,在平衡体系中环已烷主要以椅型构象存在。
进一步考察环已烷的椅型构象,可以把环上的六个碳原子看作是在C1,C3,C5和C2,C4,C6构成的两个相互平行的平面上。这样环己烷中的十二个碳氢键可以分为两种类型。其中,六个是垂直于这两个平面的,称为直立键或称 a 键(axial bonds),三个向上,另三个向下,交替排列。另外的六个碳氢键则向外斜伸,称为平伏键或称e键(equatorial bonds),也是三个向上斜伸,三个向下斜伸,与平面约呈19。每个碳原子上具有一个a 键,一个e键,如a键向上,则e键向下斜,在环中上下交替排列,如图2-13所示。