结构化学及其研究对象公开课获奖课件

绪论构造化学StructuralChemistryHΨ=EΨ1第1页1构造化学及其研究对象构造化学:是在原子、分子水平上，深入到电子层次，研究物质微观构造及其宏观性能关系科学。是化学一种重要分支。构造化学:是研究原子、分子和晶体微观构造，研究原子和分子中电子运动规律，研究物质微观构造和宏观性能关系科学。2第2页结构：电子构造和几何构造电子构造:重要是指描述电子运动规律波函数，即原子轨道和分子轨道，通过轨道互相作用理解化学键本质。几何构造:重要是指分子或晶体中原子空间排布立体构造。(静态构造：稳定状态之时，构造不随时间而变化。动态构造：化学反应之时，构造随时间而变化。从一静态构造到另一静态构造，如中间产物，过渡态，激发态…)内容重要包括:量子力学基础知识、原子构造和性质、分子构造和性质、超分子构造化学、化学键理论、晶体化学、研究构造试验原理和基本措施等内容。3第3页1.1构造化学对应微观层次基本粒子原子核原子分子

聚集态物理化学化学物理气态等离子态固态液态晶体非晶体4第4页化学键分子、晶体立体结构结构与化学键原子轨道分子轨道成键能力电子原因原子间连接形式键角键长对称性几何原因1.2构造化学中心问题5第5页从Sch.方程出发,通过求解,得波函数及有关量信息与经典体系相类比(Sch.方程建立)从大量已知事例出发,总结规律(结晶化学定律）1.3研究物质构造几种途径演绎法:理论—试验归纳法:试验—理论类比法:6第6页2学习构造化学目与意义构造化学为化学各本科专业一门重要基础课程，其任务是使学生掌握微观物质运动基本规律，获得原子、分子及晶体构造基本理论、基础知识，理解物质构造与性能关系，理解研究分子和晶体构造近代物理措施基本原理，加深对前修课程如无机化学、有机化学等有关内容理解，为后课程（如有机构造理论，配位化学，高等无机化学，量子化学等）学习打下必要理论基础。学习本课程目旳，就是培养学生运用微观构造观点和措施,解释化学现象，处理化学问题。2.1重要目7第7页2.2应用领域伴随人们对物质微观构造认识深入，构造化学基本知识已广泛地应用于化学各个领域。尤其是：当今化学已进入纳米空间(10-9m)、皮秒时间(10-１2s)时代，构造化学知识越显重要，诸多学科领域都与构造化学知识亲密有关。2.2.1反应机理研究2.2.2人工模拟生物固氮、催化剂合成2.2.3新材料、新药物合成8第8页2.2.1反应机理研究反应机理研究是一种既古老而又有诸多问题尚不清晰学科。美国R.Hoffmann和日本KenichFukui分别提出了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论，为此获得了1981年诺贝尔化学奖。由李远哲专家等创立交叉分子束反应是研究微观反应机理重要试验手段，为此获得了1986年诺贝尔化学奖。9第9页例1：速率方程

二级反应

此前就误认为是双分子基元反应，直到1967年才证明并非如此，而是具有如下机理：K′为平衡常数

控制环节三分子基元反应

不一样样反应机理对应同样速率方程。用构造化学中前线轨道理论很轻易证明，双分子基元反应是禁阻反应（反应能垒很高，不也许正常进行）10第10页1992年美国Science评出年度明星分子NO。在人体中，NO能轻易地穿过生物膜，氧化外来物质，在大脑、血管、肝脏、末梢神经等系统中有益成分。但在大气中是有害气体，它破坏臭氧层，形成酸雨。处理酸雨问题最对旳方案是发生如下反应：例2在热力学上是可以自发进行，但此反应是动力学禁阻，用前线轨道理论很轻易证明这一点。11第11页处理上述问题措施是制备专用催化剂PtPd/Al2O32NON2+O2CO+烃+O2CO2+H2OPtPd/Al2O312第12页2.2.2人工模拟生物固氮，催化剂合成合成氨反应

热力学容许，但动力学禁阻，常温常压下H2与N2混合(无催化剂)永远不也许生成NH3，原因是N≣N三键强度很大，不轻易打开。可以设想，使N2分子成键轨道（3σg）失去电子，而反键轨道（1πu）上填充电子，将减小键强度，起到键活化作用。分析13第13页最高占据轨道（HOMO）3σg是弱成键，次高占据轨道（SHOMO）是强成键，最低空轨道（LUMO）1πg是强反键。从电子构造分析，过渡金属既有d电子，又有空d轨道，既可以接受N2分子HOMO或SHOMO电子，又可以提供d电子反馈给N2分子强反键LUMO，由此抵达了活化能目旳。N2组态

模拟固氮就是按此设想进行，试验室已经成功地合成出不少N2分子配合物。上述机理也正是工业用合成氨Fe系催化剂能促使反应能进行原因。机理分析14第14页2.2.3新材料、新药合成

新材料合成

新材料合成与表征必须以构造化学知识为基础，尤其规定应具有较扎实结晶学方面知识，否则，不也许从本质上理解材料构造特点.15第15页超导材料:YBa2Cu3O7构造（Y:Ba:Cu=1:2:3规则）YBa2Cu3O7高温超导体零电阻转变温度90KBaYCuO以钙钛矿型构造为基本单元，通过原子空缺、置换、位移变形、堆叠组合等多种型式，可以描述多种氧化物超导相构造.例如，钇钡铜氧高温超导体就是一种缺氧钙钛矿型三倍超格子构造，属正交晶系.16第16页纳米材料富勒烯(Fullerene)C60成键形式

C原子采用sp2.28杂化与相邻三个C形成键(s成分含30.5%,p成分含69.5%),3个键角之和为348o，而垂直与平面p轨道形成球面共轭大键（s成分8.8%,p成分含91.2%，几乎为纯p轨道成键）。对于所有由五、六员环构成封闭多面体中，五员环均为12个，6员环数目不变。纳米碳管中五员环仍为12个（所有在两端），管柱部分所有为6员环。17第17页其他功能材料与晶体点群对应关系C1C2C3CsC2vC3vC4vC6vD2dS4D2D3D4D6TC4C6C3hD3hTd倍频效应压电效应对映体现象O旋光性圆二色性铁电效应热电效应18第18页近年来研究较多具有专一选择性催化活性钙钛矿型ABO3(BaTiO3)19第19页新药合成

加入世贸组织（WTO）后，制药知识产权问题愈加突出，由于必需遵守知识产权保护国际公约，不能再进行仿制，必须开发拥有自己知识产权新药制备工业。药理活性试验分离提取构造测定天然药材分子设计合成其中构造测定与分子设计过程必须具有扎实构造化学知识20第20页3学习构造化学措施构造化学课程是在学过高等数学，一般物理，无机化学，有机化学等课程基础上，深入讲授微观物质运动规律。由于该课程需要数理基础知识多，概念又比较抽象，因此初学者在开始学习时感到很困难。作为构造化学普遍性学习原则，应注意如下几点：21第21页3.1应注意问题提出背景及处理问题思绪

学习构造化课时，首先要注意提出问题背景；处理问题途径（思绪）和措施（技巧）；得到成果（论）；实际意义与应用领域。然后再去研究中间推导过程。同步要重视理论与实践之间亲密联络。“构造化学”虽是一门理论性比较强学科，但它与其他学科同样一切理论概念都是来源于实践，一切理论性结论都要用实践来加以检查。但“物质构造”在这首先尚有其特点，那就是理论与试验之间关系往往不是很简朴。对于试验数据往往要通过一系列理论处理才能与既有理论推论相比较。而理论往往也要根据详细条件作一番逻辑论证或数学运算后才得出可与试验成果相比较结论。例如原子光谱与原子构造理论之间关系就是如此。22第22页要努力学会应用抽象思维及数学工具处理问题。在处理理论与试验成果之间关系时往往要运用逻辑推理与数学运算。在表达量子力学基本规律时也必要运用数学措施从量上表达多种原因所起作用及其互相关系。这规定我们努力把物理概念和数学表达式亲密地联络起来。此外，在由基本理论推得详细结论时也要运用数学措施，这时要亲密注意“起始条件”和“边界条件”详细意义，并要明确所得成果物理意义。23第23页3.2应注意基本概念物理意义及各个章节间联络

理解了课程基本架构后来，一定要把有关章节基本点联络起来，找出它们之间共性和差异。构造化学课程中有诸多重要基本概念，例如，零点能效应、原子轨道、分子轨道、光谱跃迁选择定则等。精确理解并纯熟应用这些基本概念是学好构造化学课关键。构造化学课程中有诸多重要公式及函数表达式，一定要清晰公式提出条件与公式合用范围，不可盲目套用。24第24页3.3应注意与无机、有机等前期课程中有关内容联络由于该课程包括数理公式多，概念抽象，很轻易使初学者感到枯燥、无味，失去学习爱好。因此，在学习过程中必须广泛联络无机、有机、分析、物化中某些有关问题，用构造化学观点、知识来分析处理这些问题是提高学习爱好有效措施。例如：全满、半满稳定性：多种效应：堆积形式：离域效应、量子力学隧道效应、红移效应、取代基团定位效应等径、不等径圆球密堆积问题25第25页我们既要亲密注意微观现象与宏观现象之间具有本质差异，也要注意其间也许存在亲密联络。我们往往可以运用这种联络运用类比措施去认识微观现象某些特点。例如微观质点运动兼具微粒性与波动性，这是微观现象与宏观现象最基本差异。但不管其微粒性这个侧面还是波动性这个侧面都与宏观粒子运动及波动有相似之处。到目前为止，我们对微观质点详细特点及其所体现波动性还认识得很不全面、很不详细。3.4学会运用类比措施26第26页我们就可运用类比措施从宏观粒子运动及波动规律得到启发去掌握量子力学基本概念、所用模型及某些数学运算物理意义。当然，我们要注意，这种类比逻辑根据是不够充足，所得成果对旳与否或其可靠程度均得由实践来检查。但是由于这种措施立足于已经有知识基础之上，同步兼有启发思绪、提供线索、举一反三、触类旁通作用，因此常在获得科学新发现中起着重要作用。27第27页总之在学习构造化课时，要重视从衍射法、光谱法和磁共振法等试验所得试验数据以及新产品表现出来性能，这是我们认识物质构造第一性内容。一切要领和原理都来源于实践，而所得理论对旳性又要在实践中来检查。重视微观粒子运动所遵照量子力学规律，掌握微观现象特点，努力把物理概念数学表达式亲密地联络起来。要重视构造和性能间联络，理解多种物质具有其特性构造本源，理解多种构造所必然出现性能，理解理论实际应用，加深对事物本质认识。28第28页2个“二”是指要注意两种构型和两个措施二种构型（电子构型、几何构型）二种措施（谱学措施、衍射措施）用“三、二、一”3个字可归纳构造化学教学内容3个“三”是指学习微观体系三方面内容三种理论（量子理论、化学键理论和点阵理论）三种构造（原子构造、分子构造和晶体构造）三个基础（量子力学基础、对称性基础和晶体学基础）1个“一”是指一条渠道一条渠道（沟通构造→性能→应用之间渠道）

论述构造决定性能，性能反应构造原则，电子构造:重要是指描述电子运动规律波函数即原子轨道和分子轨道，通过轨道互相作用理解化学键本质。几何构造:重要是指分子或晶体中原子空间布排立体构造。29第29页四、参照书目：1.周公度《构造化学基础》(第四版)北京大学出版社

(本课程教材)

2.江元生《构造化学》高等教育出版社1997

3.厦