高等有机化学化学成键作用和分子结构.ppt

高等有机化学 课程说明1 任课教师窦志宇2 课时本课程共48学时 高等有机化学 参考书 1 AdvancedOrganicChemistry 4thEdition FrancisA CareyandRichardJ Sundberg 2001 2 AdvancedOrganicChemistry 1thEdition 中译本 FrancisA CareyandRichardJ Sundberg 1984 3 高等有机化学 西南师范大学化学化工学院 内部试用 4 基础理论有机化学 第二版 高等教育出版社 高等有机化学 高等有机化学又名物理有机和理论有机化学研究对象 有机化合物的结构以及有机化合物在反应过程中结构的变化 研究有机分子的结构和反应条件对有机化合物的物理 化学性能的影响以及化学反应历程 它的理论基础主要是量子化学和以此为依据的化学键理论和电子理论 高等有机化学 通过对一般典型有机结构的性质及典型反应历程的研究 使有机合成化学家有可能运用这些理性认识来推测未知有机物极其在反应中的内在联系 从而有利于设计具有特殊性能的新化合物 考虑合成中的最好原料和最理想的合成路线等 第一章化学成键作用和分子结构 1化学键的种类 离子键 得失e 共价键 共用e 金属键 自由e 另外 1 氢键 非典型的化学键 eg H O H H N H2 介于极端化学键之间的化学键eg R2Hg Et4Pb Me3SnCl有机基团与金属之间的结合 既有离子键 又有共价键 但后者占有优势 2 共价键理论 一 路易斯理论 1916年 美国的Lewis提出共价键理论 认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势 求得本身的稳定 而达到这种结构 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 通过共用一对电子 每个H均成为He的电子构型 形成共价键 又如 氯 氧 氮最外层具有八电子氖的构型 通常称为八隅体构型 Lewis的贡献在于提出了一种不同于离子键的新的键型 解释了电负性相差比较小的元素之间原子的成键事实 但Lewis没有说明这种键的实质 适应性不强 在解释BCl3 PCl5等未达到稀有气体结构的分子时遇到困难 1927年 Heitler和London用量子力学处理氢气分子H2 解决了两个氢原子之间化学键的本质问题 使共价键理论从典型的Lewis理论发展到今天的现代共价键理论 二 价键理论 氢分子中的化学键量子力学计算表明 两个具有1s1电子构型的H彼此靠近 两个1s电子以自旋相反的方式形成电子对 使体系的能量降低 图下方蓝色曲线 若两个1s电子保持以相同自旋的方式 则r越小 V越大 此时 不形成化学键 如图中上方红色曲线所示 能量不降低 HA和HB电子自旋相反时 体系能量低于两个H原子单独存在时的能量 r0位置对应的状态称为H2的基态 r r0 体系能量最低 如果两原子电子自旋平行 将产生排斥力 体系能量升高 不能形成稳定的化学键 这种不稳定的状态称为推斥态 实验结果表明 基态分子中两核之间的电子概率密度远远大于推斥态分子中核间的电子概率密度 由于自旋相反的两个电子的电子云密集在这两个原子核之间 降低了两核之间的正电排斥 使体系能量降低 能形成稳定的共价键 从电子云角度考虑 可认为H的1s轨道在两核间重叠 使电子在两核间出现的几率大 形成负电区 两核吸引核间负电区 使H结合在一起 被共享的电子就像一个带负电荷的桥 把两个带正电荷的核吸引在一起 从而形成了稳定的分子 2 价键理论将对H2的处理结果推广到其它分子中 形成了以量子力学为基础的价键理论 1 共价键的形成A B两原子各有一个成单电子 当A B相互接近时 两电子以自旋相反的方式结成电子对 即两个电子所在的原子轨道能相互重叠 则体系能量降低 形成化学键 亦即一对电子则形成一个共价键 形成的共价键越多 则体系能量越低 形成的分子越稳定 因此 各原子中的未成对电子尽可能多地形成共价键 例如 H2中 可形成一个共价键 HCl分子中 也形成一个共价键 N2分子怎样呢 N原子的电子结构2s22p3 N与N原子之间可形成三个共价键 写成 不同之处 其中一对电子在形成共价键时具有特殊性 C和O各出一个2p轨道 重叠 而其中的电子是由O单独提供的 这样的共价键称为共价配位键 CO可表示成 再考察一下CO分子的成键情况 C原子和氧原子的电子结构 CO分子与N2相仿 形成三个共价键 一种原子中有对电子 而另一原子中有可与对电子所在轨道相互重叠的空轨道 在配位化合物中 经常见到配位键 配位键形成条件 在形成共价键时 单电子也可以由对电子分开而得到 如CH4C原子 2s中一个电子跃迁到空的2p轨道中 注 需要吸收能量 称为激发 则形成CH4分子时 C与4个H成键 这将比形成2个共价键释放更多的能量 足以补偿激发时吸收的能量 同样 对PCl5的分子成键也容易解释了 P原子的电子构型3s23p3 共价键的数目由原子中单电子数决定 包括原有的和激发而生成的 即为共价键的饱和性 2 共价键的方向性和饱和性 例如 O有两个单电子 H有一个单电子 所以结合成水分子 只能形成2个共价键 C最多能与H形成4个共价键 例 HCl Cl的3pz和H的1s轨道重叠 要沿着z轴重叠 从而保证最大重叠 而且不改变原有的对称性 Cl2分子 也要保持对称性和最大重叠 两个Cl的3pz轨道 也要沿着z轴重叠 而不能如此重叠 破坏了对称性 各原子轨道在空间分布是固定的 为了满足轨道的最大重叠 原子间成共价键时 当然要具有方向性 3 共价键的键型成键的两个原子间的连线称为键轴 按成键与键轴之间的关系 共价键的键型主要为两种 a 键特点 成键轨道沿着键轴旋转任意角度 图形及符号均保持不变 即轨道对键轴呈圆柱型对称 或键轴是n重轴 b 键特点 成键轨道围绕键轴旋转180 时 图形重合 但符号相反 如 两个2Pz沿z轴方向重叠 YOZ平面是成键轨道的节面 通过键轴 则 键的对称性为 通过键轴的节面呈现反对称 图形相同 符号相反 为 肩并肩 重叠 N2分子中 两个原子沿z轴成键时 Pz与Pz 头碰头 形成 键 此时 Px和Px Py和Py以 肩并肩 重叠 形成 键 1个 键 2个 键 4 键参数化学键的形成情况 完全可由量子力学的计算得出 进行定量描述 但通常用几个物理量加以描述 这些物理量称为键参数 a 键能AB g A g B g H EAB DAB对于双原子分子 解离能DAB等于键能EAB 但对于多原子分子 则要注意解离能与键能的区别与联系 如NH3 三个D值不同 而且 另外 E可以表示键的强度 E大 则键强 b 键长分子中成键两原子之间的距离 叫键长 一般键长越小 键越强 例如 另外 相同的键 在不同化合物中 键长和键能不相等 例如 CH3OH中和C2H6中均有C H键 而它们的键长和键能不同 c 键角是分子中键与键之间的夹角 在多原子分子中才涉及键角 如 H2S分子 H S H的键角为92 决定了H2S分子的构型为 V 字形 又如 CO2中 O C O的键角为180 则CO2分子为直线形 所以说键角是决定分子几何构型的重要因素 三 杂化轨道理论 1 杂化概念在形成多原子分子的过程中 中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合 形成一组新的轨道 这个过程叫做轨道的杂化 产生的新轨道叫做杂化轨道 1 理论要点 2 杂化轨道的数目 在杂化过程中形成的杂化轨道的数目等于参加杂化的轨道的数目 CH4中参加杂化的有2s 2px 2py 2pz4条原子轨道 形成的杂化轨道也是4条 4条完全相同的SP3杂化轨道 3 杂化轨道的种类a 按参加杂化的轨道分类s p型 sp杂化 sp2杂化和sp3杂化s p d型 sp3d杂化 sp3d2杂化b 按杂化轨道能量是否一致分类 等性杂化 如C的SP3杂化 4个sp3杂化轨道能量一致 不等性杂化 如O的SP3杂化 4个sp3杂化轨道能量不相等 判断是否是等性杂化 要看各条杂化轨道的能量是否相等 不看未参加杂化的轨道的能量 如C的SP2杂化 形成3个能量相等的杂化轨道 属于等性杂化 4 各种杂化轨道在空间的几何分布 5 杂化的过程 在形成分子时通常存在激发 杂化和轨道重叠等过程 如CH4分子的形成过程 4 3 由一条ns轨道和三条np轨道组合而成的新轨道称为sp3杂化轨道 形成的四条新轨道在空间构成一个正四面体 轨道之间的夹角为109 28 sp3杂化 由一条ns轨道和一条np轨道组合而成的轨道称为sp杂化轨道 其特点是每条sp杂化轨道含有0 5s和0 5p成分 形成的两条sp杂化轨道之间夹角为1800 呈直线型 sp杂化 例 BeCl2分子的形成 sp2杂化由一条ns轨道和两条np轨道组合而成的轨道称为sp2杂化轨道 该轨道中含有1 3s和2 3p成分 形成的三条杂化轨道之间夹角为1200 呈平面三角形 BF3分子的形成 3 6 不等性杂化 由于有孤电子对的占据而形成不完全等同的杂化轨道的过程称为不等性杂化 NH3分子的结构 3 按正常的sp3杂化 键角应为109 28 但由于一对孤电子对的排斥作用 使其减小到107 3 H2O分子的结构 2 在H2O分子中 由于存在两对孤对电子 排斥作用更强 使键角压缩到了104 5 7 离域 键 离域 键是指由三个或三个以上原子形成的大 键 要形成离域 键 需满足下列条件 1 参与形成离域 键的原子必须在同一平面上 即中心原子一般采用sp sp2 dsp2杂化类型 2 每一原子都有一相互平行的p轨道 这些p轨道均是未参与杂化的轨道 3 p电子的总数小于p轨道数目的两倍 C中未杂化的py与两侧O的两个py沿纸面方向成大 键 C中未杂化的pz与两侧O的pz沿垂直于纸面的方向成 键 故CO2中 二氧化碳 直线形Csp杂化 C与O之间sp 2px两个 键 所以 O C O成直线形 Py Pz 例如 臭氧分子O3中氧原子采用sp2先形成2个 键 然后其未参与杂化的一条p轨道与两个配位氧原子中伸展方向平行的两条p轨道 肩并肩 重叠形成一个离域 键 它垂直于分子平面 该离域 键是由3个氧原子4个电子 中心氧原子提供2个电子 两个配位氧原子各提供一个电子 所形成的 用符号 34表示 除上述表示外 离城 键还可用长方框来表示 O3分子空间构型图 O3分子的成键图 框内圆点表示形成离域 键的电子 框外点表示未成键的电子 离域 键用符号 ab表示 a表示形成离域 键的原子数 b表示离域 键中的电子总数 常见的离域 键类型有 33 34 46 68等 表1 1结构随碳杂化形式变化的情况 配位体数目杂化形式几何形状键角例子4Sp3四面体109 5 甲烷 乙烷 甲醇 四氯化碳3Sp2三角形120 乙烯 丙酮 甲基正离子 碳酸根负离子2sp线形180 乙炔 二氧化碳 氰化氢 思考题 NH3和H2O的键角为什么比CH4的键角小 CO2的键角为什么是180 乙烯为何是120 的键角 BCl3和NCl3分子中 中心原子的氧化数和配体数都相同 为什么两者的空间分子结构却不同 举例说明在sp2和sp杂化轨道中是否也存在不等性杂化 四 共振论 共振论核心思想 用不存在的 虚拟 结构描述真实的结构 要点如下 用经典的价键结构式不能描述的分子的真实结构 可用几个或多个价键式描述分子的真实结构可认为是几个或多个价键式的杂化体称经典的价键结构式为共振 结构 式共振 结构 式是人们假想的 不是真实存在 共振论代表价键理论的一种引伸 它用来处理能画出不止一个刘易斯结构的分子 书写极限结构式遵循的主要原则 一切极限结构式必须是正确的经典结构式 必须符合路易斯结构式 例如 在任何极限式中碳原子不可能为五价 氧原子不可能为三价 围绕氢的价电子数不得超过2 第一行八元素周期的元素最多只能有8个价电子 同一化合物分子的不同极限结构式之间 只存在电子的转移 而不存在原子核的相对位移 即同一分子的极限式中原子排列顺序必须相同 参与共振的所有原子 必须共平面或近似共平面 共轭 P轨道为最大重叠 例如 丙烯基正离子采取平面的几何形状 因为平面结构能使三个p轨道取得最大的重叠 同一化合物分子的一切极限结构式 必须保持相同