三節(jié)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)理論課件

1、第三節(jié) 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)理論一、碳原子的結(jié)構(gòu)及軌道的雜化(一) 碳原子的結(jié)構(gòu)第1頁，共27頁。碳元素是形成有機(jī)化合物的主體元素，它位于元素周期表中第二周期第4主族，碳原子的電子結(jié)構(gòu)為 Is2、2s2、2p2。碳原子的最外層有 4個(gè)電子，與其它原子結(jié)合時(shí)，不易得失電子，而通過電子對的共用與其它原子相結(jié)合。因此，有機(jī)化合物分子中的化學(xué)鍵主要是共價(jià)鍵。 第2頁，共27頁。外層電子結(jié)構(gòu)：2s 2px 2py 2pz 2s 2px 2py 2pz第3頁，共27頁。在碳原子中，外層只有2個(gè)未成對的電子能形成共價(jià)鍵，所以碳原子應(yīng)是2價(jià)。但實(shí)踐證明，碳原子在有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)中，一般都是4價(jià)，這是因?yàn)樘荚釉诔?/p>

2、鍵時(shí)發(fā)生了電子的激發(fā)和軌道的雜化。即碳原子在成鍵時(shí)，其中有1個(gè)ZS電子激發(fā)到同一個(gè)電子層能級相近的2p軌道上去，變成了4個(gè)未成對的電子，碳原子即從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。 第4頁，共27頁。2s 2px 2py 2pz 2s 2px 2py 2pz基態(tài) 激發(fā)態(tài) 基態(tài)激發(fā)態(tài)第5頁，共27頁。（二）軌道的雜化激發(fā)態(tài)碳原子的4個(gè)價(jià)電子中，1個(gè)是s電子，3個(gè)是p電子，其成鍵的能量。方向都不完全相同。但實(shí)驗(yàn)證明，在單鍵化合物分子中，碳的4個(gè)價(jià)鍵是完全相同的。這是由于在電子激發(fā)的同時(shí)發(fā)生了原子軌道的雜化。第6頁，共27頁。 不同類型、能級相近的原子軌道，可以“混雜”起來重新形成一組數(shù)目相等，能量相同的新的軌道，

3、這種新軌道叫做“雜化軌道”，這種“混雜”的過程叫做雜化。雜化軌道電子云的能量、形狀及方向均發(fā)生了改變。雜化后的電子云變得向一個(gè)方向集中，在成鍵時(shí)則有利于電子云最大限度的重疊，且雜化軌道的空間排列，是互相之間盡可能相距最遠(yuǎn)，以使相互間的斥力最小，可以形成更為穩(wěn)定的鍵。第7頁，共27頁。 碳的雜化軌道有以下三種類型：1.sp3雜化軌道：由1個(gè)2s軌道和3個(gè)2p軌道雜化，形成能量、形狀完全相等的4個(gè)sp3雜化軌道，4個(gè)sp3雜化軌道對稱地指向正四面體的4個(gè)頂端，互相之間的夾角10928。雜化軌道的形狀似葫蘆形，一頭大一頭小，這樣在成鍵時(shí)有利于電子云最大限度的重疊。第8頁，共27頁。 烷烴分子中碳的4

4、個(gè)價(jià)鍵。都是由sp3雜化軌道形成的。如甲烷分子中的4個(gè)CH健完全相同，健角都是10928 ，與理論推斷相符。第9頁，共27頁。（a）碳的sp3雜化軌道；（b）甲烷正四面體模型第10頁，共27頁。2sp2雜化軌道：sp2雜化軌道由1個(gè)2s軌道和2個(gè)2p軌道發(fā)生雜化，形成能量、形狀完全相同的3個(gè)sp2雜化軌道，形狀與sp3雜化軌道類似，3個(gè)sp2雜化軌道間的夾角為120o，成平面正三角形。剩下的未參與雜化的1個(gè)p軌道垂直于sp2雜化軌道所在的平面。乙烯分子中的碳原子就是sp2雜化，所以乙烯分子為平面結(jié)構(gòu)。第11頁，共27頁。碳的sp2雜化軌道第12頁，共27頁。3sp雜化軌道：由1個(gè)2s軌道與1個(gè)

5、2p軌道發(fā)生雜化，形成能量、形狀完全相同的2個(gè)sp雜化軌道，軌道形狀大體同前，兩個(gè)雜化軌道的對稱軸在同一直線上，所以兩個(gè)軌道間的夾角為180o。剩下的2個(gè)未參加雜化的p軌道與雜化軌道間相互垂直。乙炔分子中的碳原子就是sp雜化，乙炔分子為直線形結(jié)構(gòu)。第13頁，共27頁。碳的sp雜化軌道第14頁，共27頁。二、共價(jià)鍵的種類 在有機(jī)化合物分子中，由于成鍵時(shí)原子軌道重疊方式不同，共價(jià)鍵可分為鍵和鍵兩種。第15頁，共27頁。鍵：軌道沿著鍵軸（即成鍵兩原子核之連線）方向相互重疊，軌道的重疊部分沿鍵軸呈圓柱形對稱分布，在兩原子核間電子云密度最大。所以鍵結(jié)合得比較牢固，不易斷裂，它是構(gòu)成分子的骨架。第16頁，

6、共27頁。 鍵：由2個(gè)相互平行的p軌道從側(cè)面重疊，其重疊部分不呈圓柱形對稱分布，而是具有1個(gè)對稱面，由碳一碳鍵所在平面的上下兩部分組成。而鍵電子云重疊程度較小。也不象鍵電子云那樣集中在2個(gè)原子核的連線上，而是垂直并對稱地分布于鍵平面的上下，電子云流動(dòng)性大，在外電場影響下較易極化并發(fā)生共價(jià)鍵的斷裂，從而參與化學(xué)反應(yīng)。第17頁，共27頁。 一般來說，共價(jià)單鍵是鍵，共價(jià)雙鍵中有1個(gè)鍵和1個(gè)鍵，共價(jià)叁鍵中則有一個(gè)鍵和2個(gè)鍵。 烷烴分子中碳?xì)滏I和碳碳鍵都是單鍵，重鍵化合物中均含有鍵。第18頁，共27頁。乙烷分子中鍵 第19頁，共27頁。乙烯分子中鍵和鍵第20頁，共27頁。三、共價(jià)鍵的屬性 在有機(jī)化合物中

7、，共價(jià)鍵有一些基本屬性，如鍵長、鍵角、鍵能和鍵的極性等。根據(jù)這些屬性，可了解有機(jī)化合物分子的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)。第21頁，共27頁。l.鍵長：以共價(jià)鍵相結(jié)合的2個(gè)原子核之間的距離稱為鍵長。它取決于電子云的重疊程度，重疊程度愈大，鍵長愈短。 常見共價(jià)鍵的鍵長為： CC 154pm C=C 134pm CC 120pm第22頁，共27頁。2鍵角：分子中同一原子形成的2個(gè)共價(jià)鍵間的夾角稱為鍵角。鍵角是決定有機(jī)化合物分子的空間結(jié)構(gòu)和某些性質(zhì)的重要因素。第23頁，共27頁。 3鍵能：對于雙原子分子，破壞 其共價(jià)鍵時(shí)所需提供的能量， 稱為該共價(jià)鍵的離解能，也就 是該共價(jià)鍵的鍵能。但對多原 子分子，共價(jià)鍵的鍵能是

8、指同 一類共價(jià)鍵的平均離解能。第24頁，共27頁。 4共價(jià)鍵的極性和極化性 （l）共價(jià)鍵的極性：當(dāng)2個(gè)相同原子成鍵時(shí)，其電子云對稱分布于2個(gè)原子中間，這種鍵是無極性的，稱為非極性共價(jià)鍵，簡稱非極性鍵。如 HH鍵、 CC鍵。但2個(gè)不同原子形成共價(jià)鍵時(shí)，由于成鍵兩原子的電負(fù)性不同，吸引電子對的能力也就不同，電子云靠近電負(fù)性較大的原子，使其帶上部分負(fù)電荷，一般用符號表示，而電負(fù)性較小的原子則帶部分正電荷，一般以符號表示。如氯甲烷分子中的碳氯鍵： H3CCI第25頁，共27頁。這種電子云非對稱分布的共價(jià)鍵稱為極性共價(jià)鍵。電負(fù)性相差越大，則鍵的極性也越大。共價(jià)鍵的這種極性是鍵的內(nèi)在性質(zhì)，是永久存在的。第26頁，共27頁。 （2）共價(jià)鍵的極化性：在外界電場影響下