多原子分子的结构和性质.ppt

第五章多原子分子的结构和性质,5.1价电子对互斥理论（VSEPR）5.2杂化轨道理论5.3离域分子轨道理论5.4休克尔分子轨道法HMO法5.5离域键和共轭效应5.6分子轨道的对称性和反应机理,5.1价电子对互斥理论（VSEPR）,价电子对成键电子对（bp）孤对电子对（lp）,价电子对互斥理论认为：原子周围各个价电子对之间由于互相排斥作用，在键长一定的条件下，相互间距离愈远愈稳定。,VSEPR:Valenceshellelectronicpairrepelling1940年提出，用来解释许多化合物的几何构型。,价电子对之间排斥力的根源1.是各电子对之间的静电排斥力；2.是Pauli斥力，即价电子对之间自旋相同的电子互相回避的效应。,判断分子几何构型考虑的因素：中心原子周围存在m个配位体L及n个孤对电子对E时，根据斥力效应应考虑：1.多重键中多对电子集中在同一键区可作一个键处理；2.孤对电子空间分布的肥大性；3.电负性大小。,判断分子几何构型的规则：1.为使价电子对间斥力最小，可将价电子对看作等距离地排布在同一个球面上，形成规则的多面体形式。当m+n=2时，分子为直线形；当m+n=3时，分子为三角形；当m+n=4时，分子为四面体形；当m+n=5时，分子为三方双锥形；当m+n=6时，分子为八面体形。,2.中心原子A与m个配位体L之间所形成的键可能是单键，双键或三键等多重键。双键和三键可按一个键区计算原子间的斥力，但电子多空间大，斥力也大，定性顺序为：三键三键三键双键双键双键双键单键单键单键,3.孤对电子对比成键电子对肥大，对相邻电子对的排斥较大。,价电子对间排斥力大小顺序：lplplpbpbpbp孤电子对间排斥力随角度的减小迅速增大：夹角90o的构型，lplp斥力很大，构型不稳定；lplp必须排列在夹角90o的构型中，斥力小，稳定。,4.电负性高的配体，吸引价电子能力强，价电子离中心原子较远，占据空间相对较小。,等电子原理,等电子原理指两个或两个以上的分子，它们的原子数相同（有时不算H原子）、分子中电子数也相同，这些分子常具有相似的电子结构，相似的几何构型，物理性质也相近。,价电子对互斥理论对少数化合物判断不准,例如：CaF2，SrF2，BaF2是弯曲形，而不是直线型。,价电子对互斥理论不能应用的化合物,过渡金属化合物（具有全充满、半充满或全空的d轨道除外）。,5.2杂化轨道理论,1931年Pauling提出，为了解释键角的变化。,杂化轨道,杂化轨道：在一个原子中不同原子轨道的线性组合称为原子的轨道杂化，杂化后的原子轨道称为杂化轨道。,杂化的目的：更有利于成键。,杂化的动力：受周围原子的影响。,等性杂化轨道和不等性杂化轨道,在某个原子的几个杂化轨道中，参与杂化的s、p、d等成分相等（每个杂化后的轨道中含有原轨道的比例相等），称为等性杂化轨道；如果不相等，称为不等性杂化轨道。,杂化的规律轨道的数目不变，空间取向改变；杂化轨道能与周围原子形成更强的键，或安排孤对电子，而不会以空的杂化轨道存在。,杂化轨道满足正交性、归一性,例：,由归一性可得：,由正交性可得：,根据这一基本性质，可以根据杂化轨道的空间分布及杂化前原子轨道的取向，写出杂化轨道中原子轨道的组合系数。,原子轨道经杂化使成键的相对强度加大,原因：杂化后的原子轨道沿一个方向更集中地分布，当与其他原子成键时，重叠部分增大，成键能力增强。,R/a0,图5.2碳原子的sp3杂化轨道等值线图,图5.2可见：杂化轨道角度部分相对最大值有所增加，意味着相对成键强度增大。,杂化轨道最大值之间的夹角,根据杂化轨道的正交、归一条件,两个等性杂化轨道的最大值之间的夹角满足：,式中：,分别是杂化轨道中s,p,d,f轨道所占的百分数,两个不等性杂化轨道i和j的最大值之间的夹角ij：,由不等性杂化轨道形成的分子，其准确的几何构型需要通过实验测定，不能预言其键角的准确值。根据实验结果，可按（2）式计算每一轨道中s和p等轨道的成分。,O原子的两个杂化轨道：,根据原子轨道正交、归一条件，可得：,解之，得,据此，可计算出H2O中，两个孤对电子所在轨道的成分（=0.30，0.7）,夹角（=115.4o）,由H2O，NH3分子可见，孤对电子占据的杂化轨道含较多的s成分。,两个与杂化轨道有关的问题,弯键,杂化轨道的极大值方向通常和键轴方向一致，形成圆柱对称的键，但有时极大值方向却与分子中成键两原子间的连线方向不同。,例：环丙烷中键角为60o，而碳原子利用sp3杂化轨道成键，轨道间的夹角为109.5o。,为了了解三元环中轨道叠加情况，有人测定2，5-二环乙胺-1，4苯醌C6H2O2(NC2H4)2在110K下的晶体结构，并计算通过三元环平面的电子密度差值图，如图5.3所示。,可见，轨道叠加最大区域在三角形外侧，这时形成的键由于弯曲，不存在绕键轴的圆柱对称性，这种弯曲的键称为弯键。,四面体的P4分子中也存在弯键。,关于共价键的饱和性和分子的不饱和数,原子轨道杂化时，轨道数目不变，而每个原子能提供的轨道数目和电子数目是一定的，因此共价键具有饱和性。,分子中各个原子周围化学键数目的总和为偶数。这决定分子中各种原子化合的数量关系，可以帮助确定有机物的结构式。,单键算一个，双键算两个，三键算三个。,一个分子中H、卤素、N等奇数价元素的原子数目之和必须是偶数。,在烃的结构式中含有一个双键或一个环，分子式中H的数目就比响应的饱和烃减少2个。,烃中H的数目与相应的饱和烃之差,除以2,所得值称不饱和数。这个数即为双键数或成环数。,双键不饱和数为1，三键不饱和数为2，苯为4。,不饱和数也可用于烃类的衍生物。,5.3离域分子轨道理论,用分子轨道理论（MO）处理多原子分子时，最一般的方法是用非杂化的原子轨道进行线性组合，构成分子轨道，它们是离域的，这些分子轨道中的电子并不定域在两个原子之间，而是在几个原子之间离域运动。,离域分子轨道在讨论分子的激发态、电离能以及分子的光谱性质等方面可发挥很好的作用。理论分析所得的结果与实验数据符合良好。,例CH4分子的离域MO是由8个AO线性组合而成的,与C原子2s轨道球形对称性匹配的线性组合是：,与C原子2px、2py、2pz对称性匹配的线性组合依次是：,它们分别与C原子2s、2px、2py、2pz对称性匹配的线性组合依次是：,图5.4CH4分子轨道组合图,图5.6CH4离域分子轨道能级图,a1，t1是用群的不可约表示的符号，表达分子轨道的对称性的维数等性质。,图5.6CH4的光电子能谱图,I/eV,代表和a1对应，分别代表和t1对应。,上述离域分子轨道计算得分子轨道能级与光电子能谱所得的实验结果符合，由此可见离域分子轨道的成功所在。,离域分子轨道是单电子能量算符的本征态（正则分子轨道）。在多原子分子中，分子轨道并非传统的定域键轨道。而单个电子的实际行为并不像经典价键图所描写的那样集中在一个键轴附近，而是遍及整个分子。,衍射实验证明，CH4具有Td点群对称性，4个CH键是等同的；而从图5.5的分子轨道能级图说明4个轨道的能级高低不同。不能把分子轨道理论中的成键轨道简单地和化学键直接联系起来：,分子轨道是指分子中的单电子波函数，本质上是离域的，属于整个分子；成键轨道上的电子对分子中的每个化学键都有贡献，或者说它们的成键作用是分摊到个各个化学键上的。,离域键描写单个电子在整个分子中的行为。定域键描写所有价电子在定域轨道区域内的平均行为。或者说定域键是在整个分子内运动的许多电子在该定域区域内的平均行为，而不是某两个电子真正局限于某个定域区域内运动。对单个电子的运动还要用离域轨道来描述。将被占离域分子轨道进行适当的组合，就得定域分子轨道。,用杂化轨道的定域键描述CH4分子与由离域分子轨道描述CH4分子是等价的，只是反映的物理图象有所差别。,实验证明：离域分子轨道对解释由单个电子行为所确定的分子性质，如电子光谱、电离能等很适用。定域轨道模型直观明确、易于和分子几何构型相联系。凡是与整个分子所有电子运动有关的分子性质，如偶极矩、电荷密度、键能等，离域和定域两种分子轨道模型的结果是一样的。,5.4休克尔分子轨道法HMO法,共轭分子以其中有离域的键为特征，它有若干特殊的物理化学性质：1.分子多呈平面构型；2.有特殊的紫外吸收光谱；3.具有特定的化学性能；4.键长均匀化。,共轭分子的这些性质，用单、双键交替的定域键难于解释。,HMO法：1931年，E.Hckel提出。经验性的近似方法，用以预测同系物的性质、分子稳定性和化学性能，解释电子光谱等一系列问题。优点：具有高度概括能力，应用广泛。缺点：定量结果的精确度不高。,1.HMO法的基本内容,平面型有机共轭分子中，键定域，构成分子骨架，每个C余下的一个垂直与平面的p轨道往往以肩并肩的型式形成多原子离域键。,用HMO法处理共轭分子结构时，假定：,假定电子是在核和键所形成的整个骨架中运动，可将键和键分开处理；假定共轭分子的键骨架不变，分子的性质由电子状态决定；,(3)假定每个电子k的运动状态用k描述，其Schrdinger方程为：,HMO法还假定：,各C原子的积分相同，各相邻C原子的积分也相同；不相邻C原子的积分和重叠积分S均为0。,基于以上假设，就不需考虑势能函数V及的具体形式。,HMO法的具体步骤：,(1)设共轭分子有n个C原子组成共轭体系，每个C原子提供一个p轨道，按LCAO，得：,E的一元n次代数方程,有n个解。,(3)引入基本假设：,当i和j相邻当i和j不相邻,当i=j当ij,简化久期行列式，求出n个Ek，将每个Ek值代回久期方程，得cki和k。,(4)画出分子轨道k相应的能级Ek图，排布电子；画出k的图形。,(5)计算下列数据，作分子图。电荷密度i：第i个原子上出现的电子数，i等于离域电子在第i个碳原子附近出现的几率：,键级Pij：原子i和j间键的强度：,自由价Fi：第i个原子剩余成键能力的相对大小：,式中代表在中的电子数，为分子轨道中第i个原子轨道的组合系数。,分子图：把共轭分子由HMO法求得的电荷密度i，键级Pij，自由价Fi都标在一张分子结构图上。,(6)根据上述结果讨论分子的性质，并对所得结果加以应用。,2.丁二烯的HMO法处理,据此可画出轨道示意图和相应的能级图,HMO法的处理结果，与实验结果比较符合，体现在以下方面：电子的离域可降低体系的能量，丁二烯离域比定域低0.48。丁二烯有顺、反异构体,说明C(2)和C(3)之间有一定的双键成分，不能自由旋转。,丁二烯具有1，4加成的化学反应性能。,3.环状共轭多烯的HMO法处理,对于单环共轭多烯分子CnHn，由结构式可列出久期行列式，解之，可得单环共轭体系的分子轨道能级图:,当n=4m+2时，所有成键轨道中充满电子，反键轨道是空的，构成稳定的键体系。具有4m+2个电子的单环共轭体系为芳香稳定性的结构。当n=4m时，除成键轨道充满电子外，它还有一对二重简并的非键轨道，在每一轨道中有一个电子，从能量上看是不稳定的构型，不具有芳香性。,平面构型的多环芳烃的HMO法处理：,(1)萘(C10H8),萘的分子图,实验测得萘分子键长数据,从自由价看，位自由价为0.452，位自由价为0.404，桥C原子自由价为0.104，说明在桥C原子部位不易加成，位最容易反应。从键长数据看，键长应和键键级成反比，键级高，键长短，理论计算与实验测定基本一致。,(2)薁(C10H8),薁的分子图,薁是极性分子，七元环端显正电性，五元环端显负电性。它出现极性的原因是4m+2规则，即七元环中移去一个电子至五元环，可使两个环同时都为6个电子，满足4m+2规则。,(3),对于整个分子电子数为12，不符合4m+2规则，但两个六元环各有6个电子，符合4m+2规则，可看作两个苯环通过CC单键相连。实验测定，C1C2，C3C4间的键长和单键相同，中间四元环不具芳香性。,5.5离域键和共轭效应,1.离域键的形成和表示法,离域键：形成化学键的电子不局限于两个原子的区域，而是在由多个原子形成的分子骨架中运动，这种由多个原子形成的型化学键称为离域键。,形成离域键的条件：共轭原子必须同在一个平面上，每个原子提供一个方向相同的P轨道；电子数小于参加成键的P轨道数的二倍。,离域键的表示：离域键用nm表示，n为原子数，m为电子数。,一些分子和离子形成离域键的情况：,661010,3434344646,321918,形成离域键的两个条件不是绝对的：,有些化合物满足这两个条件不能形成离域键，不出现共轭效应。,在有些分子中，原子并不完全共平面，但有一定的共轭效应。,2.共轭效应,共轭效应：形成离域键的分子，其物理和化学性质会产生某些特殊的变化，称为共轭效应或离域效应。,共轭效应对分子的影响：,影响分子的构型构象单键缩短，双键增长，原子保持共面，单键不能自由旋转。影响分子的性质：,电性：离域键的形成增加物质的电导性能；颜色：离域键的形成，增大电子的活动范围，使体系能量降低，能级间隔变小，其光谱由键的紫外光区移至离域键的可见光区。酸碱性：苯酚和羧酸电离后，酸根形成离域键而稳定存在，显酸性。苯胺、酰胺已形成离域键不易电离，呈弱碱性。化学反应性：芳香性，游离基的稳定性，丁二烯类的1,4加成反应性等都和离域键有关。,1.电性,石墨具有金属光泽和很好的导电性能；四氰基奎诺二甲烷TCNQ等类的分子能和合适的其他分子（如四硫代富瓦烯TTF分子等）组成有机半导体或导体。,TCNQ,TTF,2.颜色,酚酞在碱液中变成红色是因为发生如下反应，扩大了离域范围：,无色红色,和,3.酸碱性,苯酚和羧酸电离出H+后，酸根,3478,7834,3.肽键,肽键：一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基缩合，失去一分子水而生成的酰胺键。肽键是多肽分子中CN键和相邻的C=O键中的电子形成离域的键。,4.超共轭效应,超共轭效应：由键轨道与相邻原子或基团的轨道互相叠加而形成离域轨道，键电子与键电子间相互作用产生的离域效应。如在CH3CH=CH2分子中：,5.6分子轨道的对称性和反应机理,分子轨道的对称性决定化学反应进行的难易程度及产物的构型和构象。用分子轨道的对称性可探讨反应的机理：前线轨道理论：Fukui福井谦一提出。分子轨道对称守恒原理：Woodward&Hoffman提出。,1.有关化学反应的一些原理和概念,化学反应的实质：,分子轨道在化学反应过程中改组，改组时涉及分子轨道的对称性；电荷分布在化学反应过程中发生改变，电子发生转移。,化学势决定化学反应的可能性和限度：化学反应总是向化学势降低的方向进行。化学反应速度决定于活化能的高低：活化能高，反应不易进行，反应速度慢；活化能低，反应容易进行，反应速度快。微观可逆性原理：正反应是基元反应，则逆反应也是，且经过同一活化体。化学反应的条件：加热、光照、催化剂等。,2.前线轨道理论,前线轨道：分子中有一系列能级从低到高的分子轨道，电子只填充了其中能量较低的一部分。已填有电子的能量最高轨道称为HOMO,能量最低的空轨道称为LUMO。这些轨道统称为前线轨道。前线轨道理论认为反应的条件和方式主要决定于前线轨道的对称性。前线轨道理论的基本内容：分子在反应过程中，分子轨道发生相互作用，优先起作用的是前线轨道。当反应的两个分子互相接近时，一个分子的HOMO和另一个分子的LUMO必须对称性合适，即按轨道正正叠加或负负叠加的方式相互接近所形成的过渡状态是活化能较低的状态，称为对称允许的状态。互相起作用的HOMO和LUMO能级高低必须接近（约6eV以内）。随着两个分子的HOMO和LUMO发生叠加，电子便从一个分子的HOMO转移到另一个分子的LUMO，电子的转移方向从电负性判断应该合理，电子转移要和旧键的削弱相一致，不能发生矛盾。,例：,N2的2g和O2的2p*接近时，因对称性不匹配，不能产生净的有效重叠，形成的过渡状态活化能高，电子很难从N2的HOMO转移至O2的LUMO,反应不能进行。N2的LUMO(1g)和O2的HOMO(2p*)对称性是匹配的，但欲使反应进行，电子需从电负性较高的O向电负性较低的N转移，而且当O2的电子从反键轨道移出后，会增强O2分子原有的化学键，因此反应也很难进行。,例：乙烯加氢反应H=137.3kJmol-1,(a)(b)(c),从热力学角度看，反应放热，理当容易进行，但实际上该反应需要催化剂。前线轨道理论的分析结论：当C2H4分子的HOMO和H2分子的LUMO接近时，彼此对称性不匹配；当C2H4分子的LUMO和H2分子的HOMO接近时，彼此对称也不匹配，如图（a)和(b)所示。只有进行催化反应，例如利用金属镍（3d84s2）作催化剂，将H2的反键轨道和Ni原子的d轨道叠加，Ni的d轨道提供电子给H原子，再和C2H4的LUMO结合，C2H4加H2反应才可进行。如图（c)所示。,例丁二烯和乙烯环加成生成环己烯的反应,这一反应加热即能进行，因为它们的前线轨道对称性匹配，如图所示：,（a)(b),3.分子轨道对称守恒原理,该原理处理单分子反应问题时包含涉及旧键断裂，新键形成的那些分子轨道，键骨架及取代基可不考虑，在整个反应体系中，从反应物、中间态到产物，分子轨道始终保持某一点群的对称性，顺旋C2对称，对旋v对称，据此，可将反应过程分子轨道的变化关系用能量相关图联系起来。分子轨道对称守恒原理的要点：反应物的分子轨道与产物的分子轨道一一对应；相关轨道的对称性相同；相关轨道的能量相近；对称性相同的相关线不相交。在能量相关图中，如果产物的每个成键轨道都只和反应物的成键轨道相关联，则反应的活化能低，易于反应，称为对称允许，加热便可实现；如果双方有成键轨道和反键轨道相关联，则反应活化能高，难反应，称为对称禁阻，需把反应物的基态电子激发到激发态（光照）才能实现。,例1：丁二烯型化合物,C2对称,V对称,丁二烯环合易生成反式环丁烯（顺旋），基态反应，加热即可进行；欲生成顺式环丁烯（对旋），需光照将2上的电子激发到3才行。,画出分子轨道相关图，,把产物与反应物的能级按symmetry用相关线联结起来。,共轭多烯环合反应的规律：,