当前课程知识点：有机化学（上） > 第一章 绪论 > 1.2 结构理论 > 结构理论
同学们好
这节课我们学习有机结构理论
量子化学在解释共价键的形成过程时
依据对薛定谔方程的不同近似处理
而分别形成了主要两种理论
一是价键理论
包括由此延伸出的杂化轨道理论
二是分子轨道理论
我们先看价键理论
价键理论认为
共价键是由两个原子的未成对
而又自旋相反的电子偶合配对的结果
即是由成键原子的原子轨道
电子云
相互交盖或重叠的结果
因此
电子云重叠程度越大
则成键两原子间的电子云密度也越大
所形成的共价键亦越牢固
那么共价键具有哪些特点呢
具有如下两个特点
一是饱和性
两个原子的未成对电子
自旋反平行配对后
再不能与第三个电子配对
如氢分子可形成双原子分子
不能形成三原子分子
氦 氖 氩等只能形成单原子分子
我们再看二是方向性
两原子轨道必须沿某一方向
即原子轨道对称轴的方向
相互重叠时
重叠程度最大
形成的键最牢固
如沿x轴方向最大重叠
成键
那么沿Y轴方向重叠小
就不成键
根据价键理论的观点
成键电子
只能在原子轨道重叠的区域内运动
是定域的
价键理论尽管能很好地解释
共价键形成的本质
但不能解释空间构型问题
我们再来看杂化轨道理论
为解释分子的空间构型问题
价键理论又提出了杂化轨道理论
在这里解释s-p杂化的三种类型
结合烷烯炔进行讲解
例如
碳的外层有四个电子
电子的填充为2s²2p²
而甲烷分子是四面体构型
乙烯分子是平面构型
乙炔却是直线构型
鲍林等人以价键理论为基础
提出杂化轨道理论
成功地解释了多原子分子的空间构型
和价键理论
所不能说明的一些共价分子的形成
如甲烷等
这个理论认为
原子成键轨道并不是纯粹的s
也不是纯粹的p
而是由它们混和起来
重新组合形成能量相等的新轨道
这种在单个原子中由不同类型的
能量相近的轨道混和起来重新分配能量
重新组成一组新轨道的过程叫做杂化
那么原子轨道为什么要杂化
轨道杂化的实质是波函数的叠加
由于s轨道的波函数在全部空间是正值
p轨道的波函数则一瓣为正 一瓣为负
二者叠加结果
使轨道的一瓣变小
另一瓣变大
这就是说
杂化轨道使本来
平分在对称轴的两个方向的
p电子云比较集中在一个方向上
成键时在较大的一头重叠
可以重叠得更多
这样就比原来未杂化的s
或p轨道的
成键能力都增强了
因此
原子在形成共价键时
力图采取杂化轨道成键
量子力学还证明
能量相近的n个原子轨道
可以而且只能形成n个杂化轨道
在成键过程中
杂化与成键应该认为同时发生的
就像雷雨天
我们是先看到闪电
后听到雷声
实际上是同时发生的
像sp³杂化
是以甲烷为例
那么C原子的1个s轨道
和3个p轨道杂化成4个sp³杂化轨道
其中每一轨道含1/4s成分
和3/4p成分
这四个杂化轨道的角度分布的极大值
分别指向正四面体的四个顶点
所以甲烷具有正四面体结构
我们再看sp²杂化
以乙烯为例
碳原子的1个s轨道
和2个p轨道杂化成3个sp² 杂化轨道
其中每一轨道含1/3s成分
和2/3p成分
这三个杂化轨道
位于同一平面互成120度角
剩下一个p轨道彼此平行形成π键
我们来看sp杂化
在乙炔分子中
碳的成键轨道除sp杂化轨道外
剩下两个p轨道形成两个π键
杂化轨道理论是价键理论的延伸
同学们要清楚价键理论的要点
成键电子定域于成键原子之间
共价键的特点是具有饱和性和方向性
我们再来看分子轨道理论
分子轨道理论要点
成键电子的运动范围
不是局限于两个成键原子之间
而是在整个分子的区域内
与价键理论不同
分子轨道理论认为
成键电子不是定域在成键轨道中
而是在整个分子内运动
即是离域的
分子中价电子的运动状态用分子轨道描述
分子中价电子的运动状态
即分子轨道
可以用波函数Ψ来描述
分子轨道由原子轨道通过线性组合而成
组合前后的轨道数是守恒的
即形成的分子轨道数
与参与组成原子轨道数相等
如果两原子轨道波函数的符号相同
即波的位相相同相互叠加
得到的分子轨道能量比原子轨道能量低
称为成键轨道
用Ψ表示
如果两原子轨道符号相反
即波的位相相反相叠加
犹如波峰和波谷相遇相互减弱一样
中间出现节点
节点上电子出现的几率为零
得到的分子轨道比原子轨道能量高
称为反键轨道
用Ψ*表示
分子中的电子填充原则是根据
能量最低原理
Pauli不相容原理
和Hund规则
决定分子化学性质的 主要是原子的价电子
原子轨道组合成分子轨道必备条件
是能量相近
电子云最大重叠
对称性相同
我们来看
2个氢原子轨道1s轨道线性组合成
2个氢分子轨道的示意图
那么p轨道如何形成分子轨道呢
头碰头形成σ分子轨道有成键和反键
那么肩并肩呢
形成π分子轨道
成键和反键
那么大家思考一下
乙烯和1,3-丁二烯中
π键的形成有什么不同呢
我们看
乙烯分子中p电子
是局限在形成π键的原子之间
那么从
从丁二烯的π分子轨道可以看出
p电子
并不是局限在
某两个形成π键的原子之间
而是遍布整个分子之间
p电子发生了离域
有机化合物的化学键主要以共价键为主
本节通过结构理论讨论共价键的形成
涉及到价键理论和分子轨道理论
那么价键理论是从定域观点出发
分子轨道理论从离域观点出发
化学反应涉及共价键的断裂
那么共价键的断裂
会有哪些有机反应类型呢
丙烯在光照和非光照下
与溴化氢加成的主要产物不同
那么丙烯与氯气在高温下
氯气没有加到双键上
环戊二烯与不饱和酮发生了成环反应
他们经历的反应历程不同
下节课学习有机反应历程
这节课就到这里
-1.1 课程概要
--课程概要
--课程概要
--课程概要
-1.2 结构理论
--结构理论
--结构理论
--结构理论
-1.3 反应历程
--反应历程
--反应历程
--反应历程
-1.4 电子效应
--电子效应
--电子效应
--电子效应
-1.5 酸碱理论
--酸碱理论
--酸碱理论
--酸碱理论
-2.1.1 烷烃的命名
--烷烃的命名
--烷烃的命名
--烷烃的命名
-2.1.2 烷烃的结构和构象
--烷烃的结构和构象
--烷烃的结构和命构象
--烷烃的结构和构象
-2.1.3 烷烃的性质
--烷烃的性质
--烷烃的性质
--烷烃的性质
-2.1.4 烷烃的卤代反应历程
--烷烃卤代反应历程
--烷烃卤代反应历程
--烷烃卤代反应历程
-2.2.1 环烷烃分类和命名
--环烷烃的分类和命名
--环烷烃分类命名
-2.2.2 环烷烃的性质
--环烷烃的性质
--环烷烃的性质
--环烷烃的性质
-2.2.3 环烷烃的结构及构象
--环烷烃的结构和构象
--环烷烃的构象
-饱和烃
-3.1.1 烯烃的结构
--烯烃的结构
--烯烃的结构
--烯烃的结构
-3.1.2 烯烃的命名
--烯烃的命名
--烯烃的命名
--烯烃的命名
-3.1.3.1烯烃的性质（一）
--烯烃的性质（一）
--烯烃的性质（一）
--烯烃的性质（一）
-3.1.3.2烯烃的性质（二）
--烯烃的性质（二）
--烯烃的性质（二）
--烯烃的性质（二）
-3.1.3.3 烯烃的性质（三）
--烯烃的性质（三）
--烯烃的性质（三）
--烯烃的性质（三）
-3.1.3.4 烯烃的性质（四）
--烯烃的性质（四）
--烯烃的性质（四）
--烯烃的性质（四）
-3.1.3.5 烯烃的性质（五）
--烯烃的性质（五）
--烯烃的性质（五）
--烯烃的性质（五）
-3.1.4 烯烃的制法
--烯烃的制法
--烯烃的制法
--烯烃的制法
-3.2.1-3.2.2 炔烃的结构命名和物理性质
--炔烃的结构命名和物理性质
--炔烃的结构命名
-3.2.3 .1 炔烃的化学性质（一）
--炔烃的化学性质（一）
--炔烃的性质（一）
-3.2.3.2 炔烃的化学性质（二）
--炔烃的化学性质（二）
--炔烃的性质（二）
-3.3.1 二烯烃的分类和命名
--二烯烃的命名
-3.3.2 1，3-丁二烯的结构
--1,3-丁二烯的结构
-3.3.3 共轭二烯烃的性质
--共轭二烯烃的性质
--共轭二烯烃的性质
--二烯烃的性质
-3.3.4共振论
--共振论
--共振论
--共振论
-不饱和烃
-4.1芳烃的分类和命名
--芳烃的分类和命名
--芳烃的分类和命名
--芳烃分类命名
-4.2 苯的结构
--苯的结构
--苯的结构
--苯的结构
-4.3.1 单环芳烃的化学性质（一）
--单环芳烃的化学性质（一）
-4.3.2 单环芳烃的化学性质（二）
--单环芳烃的化学性质（二）
-4.4.1亲电取代定位规律（一）
--亲电取代定位规律（一）
-4.4.2 亲电取代定位规律（二）
--亲电取代定位规律（二）
--定位规律2
-4.5 稠环芳烃（萘）
--稠环芳烃（萘）
--稠环芳烃（萘）
--萘
-4.6 非苯芳烃
--非苯芳烃
--非苯芳烃
--非苯芳烃
-芳香烃
-5.1 同分异构现象
--5.1 同分异构现象
-5.2 分子手性和对称因素
--分子手性和对称因素
-5.3 对映体与旋光性
--对映体与旋光性
-5.4 构型的表示和标记方法
--构型的表示和标记方法
-5.5 含手性碳化合物的立体异构
--含手性碳化合物的立体异构
-5.6 不含手性碳化合物的立体异构
--不含手性碳化合物的立体异构
-5.7 反应的立体化学
--反应的立体化学
-立体化学
-6.1 卤代烃的命名和制备方法
--卤代烃的命名和制备方法
-6.2 卤代烃的化学性质
--卤代烃的化学性质
-6.3 单分子亲核取代反应
--单分子亲核取代反应
-6.4 双分子亲核取代反应
--双分子亲核取代反应
-6.5 消除反应
--6.5 消除反应
--消除反应
-6.6 卤代烯烃和芳烃
--卤代烯烃和芳烃
-6.7 习题
--6.7 习题
--习题
-卤代烃
-有机化学（上）
