有機化學的基礎167
1. 立體異構物stereoismers，是指「原子銜接順序相同，但在三度空間的位置不同」的異構物。立體異構物包含「幾何異構物geometric isomers」、「構象異構物conformational isomers」和「組態異構物configurational isomer」。
2. 各個幾何異構物之間的能量差距，就是它們的「焓enthalpy」的差距，ΔH°。
3. 不同異構物互相轉換，必須跨越一個能量障壁，翻過中間狀態的最高能量（過渡狀態）。這個能量障壁，稱為活化能，活化能就是初始狀態與過渡狀態的能量差距。(下圖是幾何異構物丁烯的轉換能量圖，藍色圓球是中間2個碳的π鍵的電子軌域)
4. 各個構象異構物之間的轉換，透過旋轉σ鍵完成。
5. 重疊eclipsed與交錯staggered構象異構物的能量差距， 是因為電子斥力造成扭張力torsional strain不同。
6. 乙烷的交錯構象異構物，比它的重疊構象異構物穩定大約2.8kcal/mole。
7. 丁烷butane最穩定的交錯構象異構物，比最不穩定的重疊構象異構物，能量更穩定5-7kcal/mol。
8. 各個交錯構象異構物的能量有可能不同，因為它們凡得瓦斥力造成的立體張力交互作用不同。每個構象異構物的實際能量，取決於幾個取代基的二平面夾角。(二平面角，以丁烷來說，是1、2、3號碳構成的平面，與2、3、4號碳構成的平面，這二個平面的夾角)
9. 間扭gauche構象異構物是指，二個碳原子取代基的平面夾角是60°；對扭anti構象異構物的取代基的二平面夾角是180°。間扭和對扭丁烷的能量差距是0.9kcal/mol，這二種異構物互相轉換需要跨越的能量障壁大約3.4kcal/mol。
10. 環己烷cyclohexane和其他環狀飽和化合物的構象平衡，由扭張力與立體張力（環張力）交互作用所控制。
11. 對環己烷來說，扭張力在船型構象的時候最小。船型或扭船型構象來回轉換的時候，會使得所有或部分的取代基化學鍵重疊，因此存在相當的扭張力。
12. 環己烷，從一種船型構象異構物，環翻轉ring-flipping成另一種，會造成軸型axial取代基變成赤道型equatorial取代基，或者相反，赤道型取代基變成軸型取代基。
13. 環己烷的軸型取代基如果是位在1號、3號碳的位置：「1,3-diaxial」，這個分子就會因為1、3取代基的交互作用而變得不穩定，但是如果在赤道位置，就會變得穩定。因此，構象異構物的大型取代基在「赤道位置」，是最穩定的。
n 翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》
徐弘毅：
1. 為什麼會發生一個分子，不斷地轉換不同的立體異構物？
2. 因為分子自己不斷地運動，同時，也不斷與環境互動：與其他分子碰撞、吸收周遭的能量、釋放能量到周遭。
3. 分子自己的運動包含「旋轉、擺動、往前移動……」。一條鍊狀分子擺動的樣子，就像一條被左右甩動的繩子，有時出現U型扭曲的構造、有時拉直成一條線、有時又倒凹成相反方向的U型構造，繩子在不同時間的變形構造，就像分子構象異構物轉換的情況。
4. 分子有一定的彈性，與其他分子輕輕碰撞，不會瓦解，只會稍微變形。己環烷分子，就像有6個活動接榫的彈力環，被其他分子撞到的地方，會順勢凹下去或凸起來，然後再彈回到「能量最低」的狀態，這個過程就出現各種「椅子構象」、「半椅子構象」、「船型構象」、「扭船型構象」。
5. 分子會與周遭環境的「能量」起化學變化。如果環境的熱能很多，熱能從「周遭」流入「分子系統」，分子得到很多能量就會比較活潑，運動速率比較快，與其他分子的碰撞頻率也更高、更激烈，出現高能量異構物的比例也較高。
6. 通常，能量比較高的異構物是比較不穩定的，化學鍵容易斷裂；如果「周遭」的能量高到打破分子「化學鍵」的程度，或有其他「化合物」趁機吸引鬆動的原子，就會化學反應產生新的化合物，可能是大分子分解成小分子，或合成新的分子。
7. 所有分子都會追求自己最穩定的狀態，「最穩定的狀態」就是花最少力氣來維持自己的結構，這是分子的最低能量狀態。
8. 為什麼丁烷butane，「對扭異構物anti conformers」比「間扭異構物gauche conformers」穩定？「間扭異構物」又比「重疊異構物eclipsed conformations」穩定？
9. 這是因為分子中的每個原子，並不是靜止不動的，而是在一個不會破壞結構的範圍內，不斷震動、擺動、旋轉，同樣地，每個小原子集團（取代基）也需要一個活動範圍；如果這個活動範圍被縮減了，取代基就會抵抗入侵者（一種反作用力），爭取自己原本應有的活動空間，結果導致分子結構不穩定。
10. 丁烷的「重疊異構物」長得就像捲成U型或稍微扭曲的U 型的東西，它們兩端的「甲基」剛好相對，在這麼擁擠的情況下，這二個「甲基」上的「氫」原子們當然會相撞。
11. 「取代基」相撞的原因是，每個原子都有自己固定的「能量」會轉化成「運動」，相撞的結果，會讓「取代基」被調整到一個比較能量平衡的位置，這就是「立體張力steric effect」。
12. 另一個導致結構不穩定的原因是「電子的斥力」。每個原子的外層都包覆著電子，原子互相鍵結形成的「化學鍵」電子密度更高（有共價鍵），所以，如果有2個「取代基」並排（相對），那麼，化學鍵上的電子就會「負負相斥」，這就是「扭張力torsional strain」。
13. 如果取代基沒有被調整到一個比較「不會相撞、不會互相排斥」的位置，就需要用更高的能量來維持這種分子結構。
14. 不同的異構物，「扭張力」與「立體張力」交互作用的強度會有所不同。以「丁烷」來說，能量最高、最不穩定的是「重疊構象異構物」，重疊的「甲基」讓「扭張力」與「立體張力」放大到最強；能量最低、最穩定的是「對扭構象異構物」，完全沒有「扭張力」與「立體張力」。
15. 當我們討論像「丁烷」這類「直鍊」分子的時候，是以中間的2、3號碳原子骨架為基準（C2、C3），比較「1號碳的取代基與2、3號碳骨架」構成的平面，和「4號碳取代基與2、3號碳骨架」構成的平面，兩平面的夾角。
16. 像己烷這樣的「環狀分子」，也可以像比對「直鍊分子」那樣，以環上的1號與6號碳為骨架，比對環上的「取代基」的相對位置。
17. 另一個更接近我們視覺習慣的方法是，從側面觀察「環己烷」，看它的「取代基」是跟環平面平行：「赤道型」取代基，還是跟環平面垂直：「軸型」取代基？
18. 判斷環分子穩定度的原則一樣，要看這些取代基的「扭張力」與「立體張力（環張力）」交互作用的結果。
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