第2章 有机化合物的结构理论.ppt

第二章有机化合物的结构理论 路易斯 Lewis 理论 价键理论 2 3碳原子的成键方式与杂化轨道理论 2 4分子轨道理论 2 5常见有机官能团的分子轨道 2 8共振结构理论 2 2共价键理论 主量子数n 描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近 或者说它是决定电子层数的 主量子数n的取值为1 2 3 等正整数 副量子数l 其一表示原子轨道 或电子云 的形状 其二是表示同电子层中具有不同状态的亚层 l可取值为0 1 2 3 n 1 磁量子数m 决定原子轨道 或电子云 在空间的伸展方向 可取值0 1 2 3 l 共有2l 1个取值 如 碳原子的原子轨道状态 n 2 l 0 1 m 0 1 1s22s22px12py12pz 2 1原子轨道 复习 2 2共价键理论2 2 1路易斯 Lewis 理论 分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势 而达到这种稳定结构 并非通过电子转移形成离子键来完成 而是通过共用电子对来实现 局限性 没有说明这种键的实质 适应性不强 特别是难以解释BH3 BCl3等达到稀有气体结构的分子的成键方式 2 2 2价键理论 基本要点 i 形成共价键的两个电子 必须自旋方向相反 ii 元素原子的共价数等于该原子的未成对电子数 共价键具有饱和性 iii 最大重叠原理 共价键具有方向性 Cl 3pzH 1s Cl 3pzCl 3pz 共价键的键型主要分为两种 键和 键 头碰头 叠加 肩并肩 叠加 键和 键的主要特点 共价键参数 键能 表示共价键稳定性的一种物理量 一般说来 键能越大 键越牢固 含有这种键的分子就越稳定 双原子分子 H2 Cl2等 破坏其共价键时所需提供的能量为共价键的离解能 也是该共价键的键能 例 H2离解能104 2KJ mol 1 H2键能104 2KJ mol 12 多原子分子共价键的键能是指同类键的平均离解能 例如 甲烷的四个碳氢建的解离能分别为 甲烷分子中C H键键能为 415 3 KJ mol 1 键角 分子中键与键之间所形成的夹角称为键角 CO2分子中 OCO键角为180 则C原子为SP杂化 当知道CH3OH的 COH键角为109 28 就可知道氧原子为SP3杂化 键长 成键的两个原子核之间的距离 叫键长 一般以pm为单位 1 与成键原子的性质以及成键类型紧密相关 一般来说 原子半径小的原子间形成的共价键的键长较短 2 对两个相同原子的成键 一般单键键长最长 双键次之 叁键最短 键长越短 一般键能越高 如C C154pm C C134pm C C120pm3 键长还与成键原子杂化轨道的状态有关 杂化轨道中s轨道的成分越高 键长越短 例如 通常C sp3 H110pm C sp2 H107pm 而C sp H106pm 4 在不同化合物中 相同键的键长和键能也会有所不同 例如 甲醇和甲烷中的碳氢键的键长和键能是不同的 共价键的极性 共价键的极性取决于分子中成键原子吸引电子的能力 即取决于成键原子的电负性 成键原子的电负性相同时其电子云对称地分布于两个原子中间 这种键是无极性的 称为非极性共价键 简称非极性键 成键原子电负性不同时成键电子靠近电负性较大的原子 使其带部分负电荷 一般以 表示 电负性较小的原子 带部分正电荷 一般以 表示 如 H3C Cl 电子云非对称分布在两原子中间称为极性共价键 键的极性大小取决于成键原子的电负性之差 电负性相差越大 则键的极性也越大 反之 键的极性就越小 常见元素的电负性 共价键的极性是键的内在性质 是永久存在的 不同杂化方式的碳原子随杂化轨道中所含S成份的增加其电负性增强 CSP3 CSP2 CSP 2 3碳原子的成键方式与杂化轨道理论 基本要点 i 元素的原子在成键时可变成激发态 能量相近的原子轨道可以重新组合成新的原子轨道 称杂化轨道 ii 杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道数目 并包含原子轨道的成分 iii 杂化轨道的方向性更强 成键能力增大 2py轨道 2pz轨道 有机化学中接触较多的是SP3 SP2 SP三种类型的杂化轨道 2 几种常见的杂化轨道 球形的s轨道 2px轨道 s轨道是球形对称的 p轨道是呈哑铃形的立体形状 1 SP3杂化轨道 CH4 在电子激发的同时发生了原子轨道的杂化 即1个S轨道和3个P轨道混合 组成4个能量 形状完全相同而在空间伸展方向不同的新轨道 这一组合过程称为杂化 所形成的新的原子轨道称为SP3杂化轨道 烷烃 饱和烃 分子中的碳原子和其它化合物分子中的饱和碳原子均为SP3杂化 SP3杂化轨道的几何构型为正四面体型 轨道之间的夹角为109 28 2 SP2杂化轨道 一个S轨道与2个P轨道进行SP2杂化 形成三个能量相同 形状相同 但空间伸展方向不同的三个SP2杂化轨道 SP2杂化轨道具有平面三角形的形状 轨道之间的夹角为120 余下的纯P轨道垂直于SP2杂化轨道平面 1 3S成份2 3P成份 SP2杂化轨道 一般双键碳原子为SP2杂化 除此 RCH2 RCH2 RCH中碳也为SP2杂化 3 SP杂化轨道 一个2S轨道与一个2P轨道进行SP杂化 形成二个能量 形状相同 但空间伸展方向不同的SP杂化轨道 空间几何构型为直线型 杂化轨道之间的夹角为180 余下的两个纯P轨道相互垂直 且都垂直于SP杂化轨道 叁键碳原子及二氧化碳中的碳原子为SP杂化 如乙炔HC CH CO2 三种原子轨道杂化的主要特点如下 思考题 指出下列分子结构式中每个C原子的杂化类型 1 CH3C CH2 2 CH3OCH3 3 CH3C CH 4 CH3CHCH3 5 6 CH2Cl CH3 CH2 CH C O H 2 4分子轨道理论分子轨道理论的基本出发点是把组成分子的所有原子做为一个整体来考虑 认为分子中电子围绕整个分子在多核体系内运动 成键电子是非定域即离域的 当原子组成分子时 形成共价键的电子是运动于整个分子区域 分子中价电子的运动状态即分子轨道 可用波函数 来描述 的具体形式可用薛定谔方程求得 但很复杂 常用量子力学的近似计算法 原子轨道线形组合来求 两原子轨道组合形成分子轨道时 必须符合三个组合原则 能量相近原则 对称性原则和最大重叠原则 所形成的分子轨道数目等于参与组合的原子轨道数目 每一个分子轨道具有相应的能量 其能量随构成分子轨道的原子轨道类型不同以及分