有机化合物中的价键结构分析.pptx
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1、化学键是化学家手中的金钥匙。-Pauling(美国)Linus Carl Pauling,19011994化学键的本质第1页/共131页在有机化合物分子中,组成分子的原子间以电子对互相结合在一起形成的键,称为共价键。正负电荷的相互吸引是化学成键、化学反应的内在驱动力第2页/共131页第一节 共价键理论价键理论和分子轨道理论共价键的两种模型:定域键和离域键 两种理论处理含定域电子的分子体系是所得结果相差不大第3页/共131页1.1 价键的形成可看作是原子轨道的重叠或电子配对的结果。成键的电子只处于形成共价键的两个原子之间。两原子如果都有未成键电子,并且自旋方向相反,就能配对成键。电子云重叠部分越
2、大,所形成的键越牢固。1、价键理论原子轨道:原子中能找到电子的区域,用波函数 表示。是对绕核电子的量子力学描述基本要点:第4页/共131页s轨道p轨道d轨道s,p,d原子轨道的形状、伸展方向1.2 共价键的饱和性和方向性如果一个原子的未成对电子已经配对,就不能再与其它的未成对电子配对。饱和性第5页/共131页方向性三个能量相等的P轨道第6页/共131页S轨道与P轨道重叠成键,S轨道必须沿着P轨道的对称轴重叠才能达到最大的交盖。P轨道S轨道P轨道对称轴第7页/共131页价键理论的局限:把成键电子描述成定域在两个原子之间,是一种定域的分子轨道理论。第8页/共131页2、分子轨道理论 分子轨道理论认
3、为,原子形成分子后,成键电子不是定域在特定原子间,而是分布在整个分子中运动着的。通过薛定谔方程(波动方程)可求出描述分子中电子运动状态的波函数,即分子轨道。成键电子按一定规则填充在这些能量不连续的分子轨道中。休克尔(德)的分子轨道法(HMO方法)量子化学所指的分子轨道不是指分子本身运动的轨道,而是分子中每个电子的运动状态。第9页/共131页缺点:将分子视为一个整体,某一电子的运动状态会受组成该分子的所有原子的共同影响,情况复杂,薛定谔方程求解困难。解决方法:将原子轨道进行线性组合,分子轨道数等于形成分子的原子轨道数,是守恒的。=C11+C22+Cnn C:原子轨道系数第10页/共131页如果两
4、个原子轨道的组合,则形成两个分子轨道:1=1+2 为成键轨道,两核间波函数增大,电子云出现几率增加,分子轨道能量比原子轨道低。2=1-2 为反键轨道,两核间波函数减小,电子云出现几率降低,分子轨道能量比原子轨道高。组成分子轨道的原子轨道能量要相近根据分子轨道对称性不同,分为轨道和轨道。电子云密度中心在两成键原子核的连线上,轨道电子云密度中心处于键轴的上下,轨道第11页/共131页第12页/共131页2.1 由p轨道组成的分子轨道位相一致的原子轨道之间的作用,形成成键轨道,位相相反的原子轨道之间的作用,形成反键轨道第13页/共131页HMO方法在处理共轭体系分子时,只把键看做分子骨架,而把电子看
5、做是围绕电子、内层电子和原子核的分子轨道。2.2 由p轨道组成的分子轨道第14页/共131页1,3-丁二烯:四个分子轨道为 1=1+2+3+4 2=1+2-3+4 3=1-2-3+4 4=1-2+3-4第15页/共131页1,3,5-己三烯 分子中六个p电子,可形成六个分子轨道 1=1+2+3+4+5+6 成键 2=1+2+3-4-5-6 成键 3=1+2-3-4+5+6 成键 4=1-2-3+4+5-6 反键 5=1-2+3+4-5+6 反键 6=1-2+3-4+5-6 反键第16页/共131页2.3 三个p轨道线性组合成三个分子轨道烯丙基正离子:三个分子轨道为 1=1+2+32=1-33=
6、1-2+3第17页/共131页2.4 环状共轭多烯 利用Frost圆圈法形象的描述含有n个碳的环状共轭多烯的分子轨道能级图。首先在圆中画一个n边正多边形,其中一个角处于最低点,而多边形的其他各角与圆接触的点表示出相应的分子轨道能级。第18页/共131页环丁二烯和苯的分子轨道非键轨道12 34123456苯的分子轨道:1,2,3为成键轨道,4,5,6为反键轨道,其中2与3以及 4与5为简并轨道。环丁二烯的分子轨道:1为成键轨道,4为反键轨道,2与3为简并的非键轨道。第19页/共131页每个sp3杂化轨道含1/4 s 成分和 3/4 p成分基态时碳原子的电子排布:1S22S22P23、杂化 仍然是
7、原子轨道,仅存在于成键过程中,有利于体系能量的降低。(1931年,鲍林)3.1 sp3杂化与四面体结构 等性杂化 成键时,通常遵守电子间排斥作用最小和成键最强原则第20页/共131页sp3杂化轨道形状碳原子的sp3杂化轨道键角为 109.5杂化轨道的角度函数在某个方向的值比杂化前的大得多,更有利于原子轨道间最大程度地重叠,因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强.第21页/共131页sp3杂化未共用电子对N N的价电子层结构的价电子层结构:2S2S2 2 2P 2P3 3不等性sp3杂化NR3和R2O结构中 N和O为sp3不等性杂化第22页/共131页2s2p2p杂化1个 杂化轨道=1/3 s +2
8、/3 p3.2 sp2杂化与平面结构 C=C C=O C=N N=N双键为sp2杂化 另自由基与正碳离子的杂化多数情况下也为sp2杂化第23页/共131页余下一个未参与杂化的p轨道,垂直与三个 杂化轨道对称轴所在的平面。第24页/共131页3.3 sp杂化与线性结构 CC O=C=O CH2=C=CH2sp杂化1个sp 杂化轨道=1/2 s +1/2p第25页/共131页一个sp 杂化轨道 二个sp 杂化轨道 未参与杂化的两个p轨道的对称轴互相垂直且都垂直于sp杂化轨道对称轴所在直线。第26页/共131页乙炔分子形成ssp 键sps 键spsp 键两对pp 键碳碳三键周围的电子云第27页/共1
9、31页1、键长键长:形成共价键的两个原子之间的距离。等于成键两原子的共价半径之和。说明:键长反映共价键的类型和键的牢固程度。同一类的共价键在不同的化合物中可能稍有不同!第二节 共价键的键参数r1:A的范德华半径r2:A的共价半径r3:B的共价半径r4:B的范德华半径d:AB键长第28页/共131页一些共价键的键长第29页/共131页2、键角乙醚甲烷键角:两个以上原子和其他原子成键时,两个共价键之间的夹角。甲醛说明:键角反映了分子的空间结构,分子结构不同,键角有所改变。第30页/共131页键能:当A和B两个原子(气态)结合成A-B气态分子时放出的能量。解离能:使1mol A-B气态双原子分子的共
10、价键离解为气态原子时吸收的能量。Ed(kJmol-1)3、键能说明:键能表示键的牢固程度,键能越大,键越牢固。第31页/共131页 多原子分子的键能通常是同一类共价键的解离能的平均值。甲烷C-H键键能为414kJ.mol-1,是上述解离能的平均值。第32页/共131页一些共价键的键能说明:化学环境不同的相同共价键的键能是有差异的!第33页/共131页4、键矩与偶极矩电负性:原子在分子中吸引电子的能力 (1931年,鲍林)电离能和电子亲合能电能的综合因素非极性共价键:两相同原子组成的共价键极性共价键:不同原子组成的共价键第34页/共131页+-=3.57x10-30(C.m)1D=3.334x1
11、0-30(C.m)(德拜)有机化合物键矩:(0.43.5D)键的极性用键矩()来衡量,它是正或负电荷中心所带电量与它们之间距离的乘积:=q.d(C.m)第35页/共131页分子的极性用偶极矩表示:多原子分子偶极矩是各个共价键键矩的矢量和=0(C.m)=6.47x10-30(C.m)=3.28x10-30(C.m)键矩用于衡量共价键的极性,与化学性质有关;而偶极矩用于衡量分子的极性,与物理性质有关!第36页/共131页5、键的极化性与可极化度共价键在外界电场作用下,键的极性发生变化,产生了诱导偶极矩,称为键的极化性。键的极化性用可极化度(率)来衡量。它表示成键电子被成键原子核电荷约束的相对程度,
12、与许多因素有关:成键原子的体积:正比电负性:反比 C-I C-Br C-Cl C-F键的种类:键比键容易极化外加电场强度:正比无论键是否有极性,均有一定的极化度第37页/共131页共价键的极性取决于取代基的效应如取代羧酸的酸性:CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOHpKa 4.76 2.86 1.29 0.65 取代基效应:分子中的某个原子或原子团对整个分子或分子中其它部分产生的影响第三节 取代基效应第38页/共131页取代基效应电子效应场效应空间效应诱导效应共轭效应超共轭效应(位阻效应)(,)(-,p-)(-,-p)空间传递的电子效应物理的相互作用第39页/
13、共131页 在有机化合物中,由于电负性不同的取代基的影响,引起成键电子云沿着键链按取代基的电负性所决定的方向偏移的效应称为诱导效应,用 I 表示。1、电子效应(Electronic effect):由于取代基的作用而导致的共有电子对沿共价键转移的结果。1.1 1.1 诱导效应诱导效应 (Inductive effect)(Inductive effect)第40页/共131页传递强度:与取代基的性质、数目及距离相关,距离越大,强度越弱。取代基的影响电子云密度分布不均匀沿分子链传递取代基性质决定传递方向诱导效应的相对强度:取决于取代基中心原子的电负性。+-第41页/共131页规则:a.同周期的原
14、子:b.同族的原子:F Cl Br I电负性:4.0 3.0 2.8 2.5 c.相同的原子:不饱和度越大,-I 效应越强d.带正电荷的取代基的 I 强带负电荷的取代基的+I 强+I-I第42页/共131页1.2 共轭效应(Conjugation)电子通过共轭体系的传递而引起分子性质的改变,称共轭效应。-共轭C1C2C3C4第43页/共131页p-共轭C3C2C1CH3HH+H第44页/共131页特点:分子中任何一个原子周围电子云密度变化,马上会引起其它部分的电子云密度的改变共轭效应不受传递距离的影响结构特征:单、重键交替共轭体系中所有原子共平面第45页/共131页苯酚分子中氧原子上的孤对电子
15、与苯环上的电子形成 p-共轭。结果:使羟基的邻、对位的碳原子 带有部分的负电荷。电子转移用弧形箭头表示Y为吸电子基团吸电子共轭效应(-C),X为供电子基团供电子共轭效应(+C).第46页/共131页共轭效应的强度取决于取代基中的中心原子的电负性和原子半径大小。电负性越大,C越强。-共轭体系:同周期元素,随原子序数增大,C 增强:相同的元素,带正电荷的原子,C效应较强:第47页/共131页p-共轭体系:+C:同周期元素,电负性越大,+C 效应越小+C:同族元素,原子半径越大,p 轨道与双键中的轨道重叠越困难,电子离域程度小,C 越小。共轭效应与诱导效应在一个分子中往往是并存的,有时两种作用的方向
16、是相反的.第48页/共131页静态时:(分子没有参加反应)I +C,吸电子基性质动态时:(分子处于反应中+C I,指导亲电物种进攻方向动态共轭效应在反应过程中起主导作用第49页/共131页1.3 超共轭效应(Hyperconjugation)当CH键与双键直接相连时,CH键的强度减弱,H原子的活性增加。羰基化合物的C 原子的H原子在取代反应中是活泼的第50页/共131页共轭:电子已经不再定域在原来的C、H两原子之间,而是离域在C3C2之间,使H原子容易离去。这种共轭强度远远弱于-及p-共轭。超共轭效应的作用:CCCHHHHHH第51页/共131页使分子的偶极矩增加:使正碳离子稳定性增加:在叔碳
17、正离子中CH键与空的p轨道具有9个超共轭效应,其结果:正电荷分散在3个碳原子上。第52页/共131页2、场效应(Field effect)(F效应)当分子中原子或原子团间相互作用,通过空间传递的电子效应 场效应。邻氯代苯丙炔酸:pKa:大小场效应是依赖分子的几何构型的。Cl-产生供电场,不利于H的离去第53页/共131页3、空间效应(Steric effect)分子内或分子间不同取代基相互接近时,由于取代基的体积大小、形状不同,相互接触而引起的物理的相互作用 空间效应(位阻效应)。空间效应的作用:3.1 化合物(构象)的稳定性第54页/共131页3.2 对化合物酸碱性的影响pKa1 R2NH
18、RNH2 NH3当它与体积较大的Lewis 酸作用时,碱性强度顺序为:R3N R2NH RNH2 NH3两者在相互接近过程中,基团位阻导致相互排斥作用F-张力(前张力),表现为对反应的阻碍作用。2.6-二甲基吡啶几乎不与R3B作用第57页/共131页SN1反应形成正碳离子的一步 键角的变化缓解了基团的拥挤程度 来自于离去基团背后的张力B-张力(后张力),表现为对反应的促进作用。sp3四面体 sp2平面三角型卤代环丙烷离解速度慢环的键角角张力(Angle Strain)第58页/共131页第四节 共振论 共振论代表价键理论的一种延伸,它用来处理一些复杂的分子体系,如具有共轭结构的分子,它们能画出
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