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【讨论】有机化学共价键理论

anm520

2008/06/17

有机化学共价键理论

原子结构示意图

.

电子轨道示意图

一、价键理论（VB，valence bond theory）

价键理论的三个要点：

1. 定域性：自旋反平行的两个电子绕核做高速运动，属于成键原子共同所有。电子对在两核之间出现的几率最大；

2. 饱和性：每个原子成键的总数或以单键连接的原子数目是一定的。原子中的成单电子数决定成键总数；

3. 方向性：原子轨道有一定的方向性（s，p，d），与相连原子轨道重叠成键要满足最大重叠条件。因此，一个原子与周围原子形成共价键有一定的角度

原子轨道重叠情况示意图
　

成键方向对分子结构的影响

二、杂化轨道理论（hybrid orbital theory）

1931年，鲍林（Pauling L）提出原子轨道杂化理论。

碳原子轨道的这种转化过程成为碳原子的杂化。

1. 杂化与杂化轨道：杂化是指在形成分子时，由于原子间的相互影响，若干不同类型而能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道的过程。所形成的新轨道称为杂化轨道。

2. 孤立的原子不可能发生杂化，只有在形成分子的过程中才会发生。

3. 在杂化前后，原子轨道的数目保持不变。

4. 条件不同，杂化轨道类型可能不同。

5. 碳原子的杂化：

(1). sp3 杂化：

原子轨道在杂化过程中经过一个激发态

这是用一个2s轨道和三个2p轨道进行的杂化，故称为sp3 杂化。与基态轨道相比，杂化轨道具有以下特点：

a). 能量相等，成分相同（1/4s轨道和3/4p轨道）；

b). 杂化轨道的电子云分布更集中，可使成键轨道间的重叠部分增大，成键能力增强；

c). sp3 杂化轨道在空间尽量伸展，呈最稳定正四面体型，轨道夹角109°28′。 sp3 杂化又称为正四面体杂化。

(2). sp2 杂化：

由2s轨道核两个2p轨道杂化，形成三个等同的sp2 杂化轨道。另有一个2p轨道不参与杂化。

a). 杂化轨道成分：1/3s轨道和2/3p轨道；

b). 成键能力较sp3杂化轨道弱，但较未杂化轨道强；

c). 杂化轨道呈平面三角形，夹角120°。未杂化2p轨道垂直于这一平面。

(3). sp 杂化：

由2s轨道核一个2p轨道杂化，形成两个等同的sp 杂化轨道。另有两个2p轨道不参与杂化。

a). 杂化轨道成分：1/2s轨道和1/2p轨道；

b). 成键能力较sp2杂化轨道弱，但较未杂化轨道强；

c). 杂化轨道呈直线型，夹角180°。另两个未杂化2p轨道与这一直线两两垂直。

三、σ键和π

共价键具有方向性。按照成键的方向不同，分为σ键和π键。 σ键和π键是两类重要的共价键。

1. σ键：

在甲烷分子中，存在四个等同的C-H键，碳原子采取sp3 杂化。取一个杂化轨道进行分析

当氢原子的1s轨道沿着对称轴的方向与碳原子sp3 杂化轨道重叠时，原子轨道重叠程度最大，形成的共价键最牢固。由原子轨道是立体对称的，原子轨道绕轴的旋转不影响成键，因而，形成的键是可以自由旋转的。这种沿着对称轴的方向以“头碰头”的方式相互重叠形成的键叫做σ键。构成σ键的电子称为σ电子。一个σ键包括两个σ电子。
甲烷分子中，四个σ键夹角为109°28′，分子构型为正四面体型。
乙烷分子中，除σC- H外，还存在σC- C 键（CH3-CH3 ）

σ键的成键特点：

1). “头碰头”成键，电子云近似圆柱形分布；

2). σ键可以旋转；

3). σ键较稳定，存在于一切共价键中。

因而，只含有σ键的化合物性质是比较稳定的（烷烃）。

2. π键：

在乙烯分子中，碳原子采取sp2 杂化。另有一个p轨道不参与杂化，而形成另一类型的共价键π键。

未杂化的p轨道可以“肩并肩”平行重叠成键，形成π键。构成π键的电子叫做π电子。

π键的成键特点：

1). “肩并肩”成键；

2). 电子云重叠程度不及σ键，较活泼；

3). π键必须与σ键共存；

4). π键不能自由旋转。

因而，具有π键的化合物性质较活泼（烯烃、炔烃等）。

3. 键参数：表征化学键性质的物理量统称为键参数。

键长（bond length）：
键能（bond energy）：键长越短，键能越大，化学键越牢固，分子越稳定。
键角（bond angle）：反映分子空间结构的重要因素（如：甲烷、乙烯、乙炔等等）。
键的极性（bond polarity）：非极性键构成非极性分子；极性键可构成非极性分子（甲烷、二氧化碳等），也可构成极性分子（水，硫化氢等）。

4. 共价键的均裂和异裂(homolytic cleavage & heterolytic cleavage)：

化学反应的发生实际上就是旧键的断裂和新键的生成。共价键的断裂有两种方式：

均裂：均等断裂：

异裂：不均等断裂：

小结杂化轨道理论：

sp3 杂化：正四面体型杂化，四个杂化轨道，能形成四个σ键， σ键稳定，可自由旋转；

sp2 杂化：三个杂化轨道共平面，能形成三个σ键，未杂化p轨道可形成π键，形成π键后，双键均不能自由旋转；

sp 杂化：两个杂化轨道共直线，能形成两个σ键，未杂化p轨道可形成π键，形成形成π键后，三键均不能自由旋转。

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