由于單鍵可以“自由”的旋轉(zhuǎn)，使分子中的原子或基團(tuán)在空間產(chǎn)生不同的排列，這種特定的排列形式稱為構(gòu)象。由單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的異構(gòu)體稱為構(gòu)象異構(gòu)體或旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體。

一、乙烷的構(gòu)象

當(dāng)C2H6分子以C—Cσ鍵為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，兩個相鄰碳原子上的C—H鍵會交叉成一定的角度θ，這個角度稱為二面角。

單鍵旋轉(zhuǎn)一周，可以產(chǎn)生無數(shù)個構(gòu)象異構(gòu)體，二面角為0°的構(gòu)象稱為重疊型構(gòu)象；二面角為60°的構(gòu)象稱為交叉型構(gòu)象。二面角在0°到60°之間的構(gòu)象稱為扭曲型構(gòu)象。重疊型構(gòu)象和交叉型構(gòu)象是乙烷的兩種極限構(gòu)象。

乙烷分子中，C—C鍵長為154pm，C—H鍵長為110.7pm，C—C—H鍵角109.3°。在乙烷的重疊型構(gòu)象中，兩個碳原子上的氫原子彼此是重疊著的。根據(jù)計(jì)算，它們之間的距離為229pm，而氫原子的范德華半徑為120pm，兩個氫核之間距離小于兩個氫原子范德華半徑之和，因此有排斥力。同時，旋轉(zhuǎn)也會導(dǎo)致分子軌道相互作用的細(xì)微變化，在重疊型構(gòu)象中輕微弱化C—C鍵使其鍵長變長，分子處于這種構(gòu)象，從能量上考慮是最不穩(wěn)定的。

在乙烷的交叉型構(gòu)象中，兩個碳原子上的氫離得最遠(yuǎn)，根據(jù)計(jì)算，兩個氫核之間的距離約為250pm，從能量上看，分子處于這種構(gòu)象是最穩(wěn)定的。乙烷分子其它構(gòu)象能量介于重疊型與交叉型之間，分子在可能的條件下，總是傾向于以能量最低的穩(wěn)定的形式存在，一旦偏離穩(wěn)定形式，非穩(wěn)定構(gòu)象受范德華斥力作用具有恢復(fù)成穩(wěn)定構(gòu)象趨勢。

乙烷的重疊型構(gòu)象與交叉型構(gòu)象雖存在能差，但差別并不大，只需要12.1 kJ·mol-1，就由一個穩(wěn)定的交叉型構(gòu)象變成不穩(wěn)定的重疊型構(gòu)象，這種分子旋轉(zhuǎn)時所必需的最低能量，稱為轉(zhuǎn)動能壘。因?yàn)檗D(zhuǎn)動能壘不大，而在室溫，分子間的碰撞就可產(chǎn)生能量約84 kJ·mol-1，足以使分子“自由”旋轉(zhuǎn)，因此不能分離這些構(gòu)象異構(gòu)體。

二、乙烷構(gòu)象的表示方法

乙烷的構(gòu)象，可用側(cè)視圖（圖4）與端視圖（圖5）來表示：

側(cè)視圖是眼睛垂直于C—C鍵軸方向看，實(shí)線表示鍵在紙面上，虛線表示鍵伸向紙面后方，楔形線表示鍵向紙面前方；乙烷端視圖常用紐曼投影式表達(dá)，紐曼式是從C—C鍵的軸線上看，在紐曼式中，前面的碳原子（C-1）用表示，后面的碳原子（C-2）用表示。重疊型C-1上的氫與C-2上的氫是重疊著的，應(yīng)該看不到，但為了表示出來，稍偏一個角度。

三、乙烷的構(gòu)象勢能關(guān)系圖

乙烷的各種構(gòu)象異構(gòu)體具有不同勢能，若以單鍵的旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，以各種構(gòu)象的勢能為縱坐標(biāo)。如果將單鍵旋轉(zhuǎn)360°，就可以畫出一條構(gòu)象的勢能曲線，如圖6所示。

圖中曲線上的任何一點(diǎn)代表一種構(gòu)象及其勢能，位于曲線中最低的一點(diǎn)，即谷底勢能最低，它所代表的交叉型構(gòu)象最穩(wěn)定，任何分子在穩(wěn)定的構(gòu)象中呆的時間最長，只要稍微離開谷底一點(diǎn)就意味著勢能的升高，分子就變得不穩(wěn)定一些，位于曲線中最高的一點(diǎn)，即峰頂?shù)膭菽茏罡?，代表的重疊型構(gòu)象最不穩(wěn)定，它的存在時間非常短，小于10-12s，事實(shí)上重疊型構(gòu)象只是快速平衡的交叉型構(gòu)象的一個過渡狀態(tài)。構(gòu)象特征會影響分子的化學(xué)反應(yīng)性。

如果將溫度逐步降低，分子“自由”旋轉(zhuǎn)逐漸困難，最后不能“自由”旋轉(zhuǎn)，用X射線衍射分析方法及核磁共振方法測定表明，乙烷分子在低溫時的優(yōu)勢構(gòu)象，是最穩(wěn)定的交叉型構(gòu)象。

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