（精选幻灯片）有机化学：2 有机化合物的化学键.ppt

第二章有机化合物的化学键 第一节共价键的形成 一 化学键的类型二 共价键的形成 一 价键理论 VB法 1 1 理论要点 1 两个原子相互接近时 自旋方向相反的单电子可以配对形成共价键 2 电子配对时放出能量越多 形成的化学键越稳定 3 原子轨道重叠部分越大 两核间电子概率越大 所形成共价键越牢固 分子也越稳定 4 能量相近的原子轨道可进行杂化后形成杂化轨道后成键 2 2共价键的特征 1 饱和性 成键数 成单电子数 2 方向性 沿原子轨道最大重叠方向进行3 共价键的类型 键 头碰头方式重叠 轨道重叠部分沿键轴呈圆柱形分布的 键 肩并肩方式重叠 轨道重叠部分通过一个键轴的平面具有镜面反对称性 键特点 轨道重叠程度小 成键电子能量较高 易活动 是化学反应的积极参与者配位键是由一个原子提供电子对为两个原子共用而形成的共价键 3 键 头碰头方式重叠 Cl 3s23p53px13py23pz2 4 键 肩并肩方式重叠p p 键 N 2s22p32px12py12pz1 5 杂化轨道理论 杂化的概念原子在形成分子时 由于原子间相互作用的影响 若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来 重新组合成一组新轨道 这种重新组合的过程称杂化 6 基本要点 成键时 原子中能量相近的原子轨道可以相互混合 重新组成新的原子轨道 杂化轨道 杂化轨道空间伸展方向会改变 轨道有更强的方向性和更强的成键能力 形成的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道数目 不同的杂化方式导致杂化轨道的空间分布不同 由此决定了分子的空间几何构型不同 7 杂化轨道的类型sp3等性杂化 一个s轨道和三个p轨道杂化 产生三个等同的sp3杂化轨道 sp3杂化轨道间夹角109 28 呈四面体结构 如甲烷的形成 C 2s22p22s12p3四个sp3杂化轨道 形成四个 键 sp3杂化轨道 8 sp2等性杂化 一个s轨道和二个p轨道杂化 产生三个等同的sp2杂化轨道 sp2杂化轨道间夹角120 呈平面三角形 如乙烯形成 C 2s12p3三个sp2杂化轨道 三个 键 和一个p轨道 一个 键 见书 p15 图2 6和2 7sp等性杂化 sp2杂化轨道 乙烯 9 sp杂化一个s轨道和一个p轨道杂化形成二个等同的sp杂化轨道sp sp轨道间夹角180 呈直线型 如乙炔的C 2s12p3两个sp杂化轨道成两个 键 两个p轨道成两个 键 见书 p16 图2 9和2 10 sp杂化轨道乙炔分子 10 有机分子中O原子和N原子也常以杂化轨道而成键 如O 形成两个单键时 为不等性sp3杂化 形成双键时 以sp2轨道成键 11 二 分子轨道理论 MO法 电子在整个分子中的运动状态可用波函数 表示 称分子轨道 分子轨道的求解很困难 一般用近似解法 原子轨道线性组合法 即认为由成键原子的原子轨道相互接近 相互作用 重新组合成整体分子轨道 组合时 轨道数目不变 原子轨道数目等于分子轨道数目 轨道能量改变 低于 高于 等于两原子轨道能量 所有分子轨道能量代数和与所有原子轨道能量代数和相等 12 1 2 1 2 1 2 1 2 13 原子轨道组合成分子轨道必备条件 能量相近 电子云最大重叠 对称性相同 如氢原子与氯原子结合时 氢原子的1s轨道与氯原子的3p轨道能量相近 而且只能与3px以波相相同时的组合才能形成最大重叠的组合 成为有效的共价键 与其他轨道的组合由于重叠程度过小无意义 与3px波相相反时的组合形成的是反键轨道 能量高 不利于分子的稳定 分子轨道理论 电子离域 常见原子轨道组合有 14 s s组合 s px组合 15 px px组合 py py组合pz pz组合 16 注意 这里不能对s px py pz绝对化 如C的sp3杂化轨道与H的s轨道的组合相当于s px组合 17 一 共价键的极性与极化性 一 极性不同原子间形成的共价键 由于原子电负性的不同 正负电荷重心不再重合 电负性大的一端显负电 电负性小的一端显正电 即在键的两端出现了正极和负极 这样的共价键具有极性 称极性共价键 简称极性键 相同原子形成共价键电荷均匀分布 是非极性键 键矩定义为 q d D 键的极性大小主要由成键原子间的电负性差值决定 电负性差值越大 键的极性就越强 第二节共价键的属性 18 分子的极性 可用偶极矩表示 等于各化学键键矩的向量和 19 二 极化性是指在外电场作用下 共价键极性发生变化的能力 或者说极化性是指共价键对外电场的感受能力 如 成键原子的电负性越小 半径越大 极化性越强 键的可极化性对分子的反应性能起重要影响 如 极性 C F C Cl C Br C I极化性 C F C Cl C Br C I化学键的活泼性 C F C Cl C Br C I 20 三 键能形成共价键过程中体系释放的能量或共价键断裂过程中体系吸收的能量 多原子分子中 相同的化学键键能相等 键的键能大于 键 二 键长 成键原子的原子核之间的平均距离 nm 21 C H键键能 415kJ mol 键能用于反映共价键的强度 键能愈大则键愈稳定 22 四 键角 两个共价键之间的夹角 它反映了分子的空间形象 23 五 共价键的断裂方式和有机反应的类型 1 均裂成键的一对电子平均分给两个成键原子或基团 易发生自由基反应 自由基 不稳定 24 2 异裂成键的一对电子完全为成键原子中的一个原子或基团所有 形成正 负离子 受到亲电试剂进攻 发生亲电反应 受到亲核试剂进攻 发生亲核反应 另外 还有周环反应历程 是一种协同反应历程 本课程不作介绍 25 一 分子间作用力1 范德瓦尔斯力 主要有偶极 偶极作用 取向力 和色散力 结论 分子量相同的分子 极性越大 相互间的作用力越强 极性相近的分子 分子量越大 分子间的作用力越强 当极性和分子量都相同时 分子间的距离越小 分子间的作用力越强 第三节分子间作用力及其影响 26 第三节分子间作用力及其影响 2 氢键效应与氢原子直接相连的原子具有较小原子半径 电负性强 N O F 时 两原子的共用电子对强烈地偏向于电负性强的原子 使氢原子形成近乎裸露的质子 此时的氢原子周围存在较小原子半径 电负性强 有未共用电子对的特点 N O F 的原子时 该原子周围的电子云密度很大 二者间存在一定的相互吸引力 这种静电吸引力称为氢键 表示为X H Y 27 常见的具有氢键的无机物有HF H2O NH3 无机含氧酸 常的具有氢键的有机物有 羧酸 醇 胺 蛋白质 糖等 因为这些分子中含有H F H O H N键 要注意醛 酮分子间不含氢键 因为其中氢氧不直接相连 氢键的强弱与X Y的电负性以及原子半径的大小有关 X Y的电负性越大 半径越小 形成的氢键越强 28 氢键可分为分子间氢键和分子内氢键 如 29 氢键的能量约为15 30kJ mol 远小于一般化学键的键能 和范德瓦尔斯力的数量级相同 氢键的能量与元素的电负性及原子半径有关 元素的电负性越大 原子半径越小 形成的氢键越强 二 氢键的特性1 氢键的饱和性一个X H只能和一个Y相键合 2 氢键的方向性所形成的氢键尽可能与X H键在同一直线上 30 三 对某些物理性质的影响1 对熔沸点的影响分子量相近的化合物比较 能形成分子间氢键的物质 其熔 沸点要高于不能形成分子间氢键的物质 如醇 羧酸等比相应分子量的醛 酮 烃的熔 沸点高 2 对溶解度的影响在极性溶剂中 如果溶质分子和溶剂分子间能形成氢键 将有利于溶质分子的溶解 如苯酚比苯在水中的溶解度大 31 一 基本理论某些分子 离子或自由基不能用某个单一的经典结构式来解释其某种性质时 我们同时用两个或多个经典结构式来共同表达其结构 这一过程称为共振 如在甲酸根离子中两个C O键的键长均为126pm 介于单双键之间 可用下式表示 这些组合结构叫共振杂化体 每个参与杂化的结构叫共振结构式 注意避免这样几种错误说法 两个结构式交替存在 两个结构式同时存在 正确的理解应是 两种结构均不存在 只是真实结构介于二者之间 第四节共振论 32 理论要点 1 共振杂化体是单一物质 可用以表达分子的真实结构 但它既不是几个共振结构式的混合物 也不是几种结构互变的平衡体系 2 共振结构式不具客观真实性 是近似的或假想的 单独哪一个共振结构式都不能完满地表述分子性质 但每一个都有一定的意义 与真实的结构存在内在的联系 在一定程度上共同反映物质的特征 3 共振结构式可用以说明分子或离子等中间体的稳定程度或分子中电荷分布的位置 书写共振结构式时 其数目有一定的任意性 结构相似的物质 共振式数目越多 结构越稳定 4 共振结构参与杂化的比重是不同的 能量越低 越稳定的共振结构式参与程度越大 对共振杂化的贡献越大 一般书写时 写出贡献大的几个结构式即可 33 二 书写共振结构式遵循的原则1 各结构式间只是电子排列不同 原子核相对位置不变 2 参与共振的所有原子共平面 都具有p轨道 如 键 自由基 离子 共轭体系 3 键角须保持恒定 4 成对电子数和未成对电子数必须相同 5 每个共振结构式都必须符合价键理论 各原子的价数不能越出常规 34 三 非等性共振结构 共振结构参与杂化的比重是不同的 能量越低 越稳定的的共振结构式在共振杂化体中占较大的分量 贡献越大 越趋近于真实结构 35 如 苯的共振结构式为 哪些结构式的能量较低 36 四 等性共振结构能量相同的结构称为等性共振结构 如 37 五 共振论与分子性质的关系1 说明分子的稳定性2 估计反应性能如硝基苯亲电取代发生在硝基的间位 可通过不同取代部位所得中间体的稳定性分析来判断 3 确定分子中电子云的分布 从而解释其性质 如羧酸的酸性比醇强 38 第五节决定共价键中电子分布的因素 一 诱导效应 由于成键原子的电负性不同 而使整个分子的电子云沿着碳链向某一方向移动的现象 叫诱导效应 I 用 表示电子移动方向 诱导效应沿碳链减弱很快 一般到第三个原子后 可忽略不计 39 诱导效应的影响和强度以碳氢化合物中的氢为标准 吸引电子能力比氢强的基团称吸电子基 其诱导效应为负效应 用 I 表示 吸引电子能力比氢弱的基团称斥电子基 其诱导效应为正效应 用 I 表示 常见基团的诱导效应次序 40 酸性比较 亲核加成反应 快慢 I效应 I效应 41 诱导效应还可分为静态诱导效应和动态诱导效应 静态诱导效应 未发生反应时分子中诱导效应的存在情况 由分子本身的成键原子和结构特征决定 是分子的固有性质 不受外界因素干扰 动态诱导效应 在反应的瞬间 分子受外界电场 如试剂 的影响而引起分子中电子云密度分布状态暂时改变的效应 如 42 二 场效应分子中相互作用的两部分 通过空间传递电子所产生的诱导效应 在下例中如无场效应 则酸性应为邻位大于对位 但该例却是对位的酸性较大 43 三 共轭效应 由于共轭体系的存在 发生原子间的相互影响而引起电子平均化的效应 如1 3 丁二烯分子中 四个C均以sp2杂化轨道形成 键 其中三个C C键 六个C H键 在同一平面上 键角约120 此外每个C尚有一p轨道垂直于分子平面 这些p轨道侧面交盖形成 共轭体系 静态共轭效应 1 3 丁二烯的结构示意图 44 电子的运动范围不再局限于某两个原子间 而是在四个C原子间 电子平均化 这种结构必然会导致物质物理性质和化学性质的改变 从物理常数看典型的C C和C C键长应为154pm和134pm 而1 3 丁二烯分子中分别为146pm 136pm 两键均介于一般的单 双键之间 还会导致内能降低 稳定性增强 等性质 45 在共轭体系中 如果取代基为 NO2 CN CHO COOH COR等时 将使共轭体系的电子云密度降低 称为吸电子共轭效应用 C表示 如在共轭体系中 如果取代基为 NH2 NHR OH OR Cl Br等时 将使共轭体系的电子云密度升高 称为斥电子共轭效应用 C表示 特点 正负电荷交替出现 不随距离的增加而减弱 46 动态共轭效应 如1 3 丁二烯与HBr发生反应时 47 共轭体系的类型 一 共轭体系 单键和重键交替排列的体系 1 3 丁二烯丙烯醛苯 二 p 共轭体系 p轨道与重键间隔单键的结构体系 48 49 共轭效应可以解释有机分子或离子的稳定性 化合物性质等 如 稳定性 较容易生成 活泼性 C Cl键被加强 50 四 超共轭效应 1 共轭体系 碳氢键与重键间隔单键的体系 由于C H键中H原子很小 象嵌在C的原子轨道中 则电子云相对地向碳集中 当它与 键或p轨道相邻时就发生电子的离域现象 而使体系稳定 由于C H电子云与 键或p轨道电子云不共平面 只能发生很小程度的重叠 所以