2.3 脂烃的结构与杂化轨道(课件)《有机化学(第二版)》同步教学（化学工业出版社）

第二章 脂烃 202X 第三节 脂烃的结构与杂化轨道 第三节 脂烃的结构与杂化轨道 一、烷烃的结构及sp3杂化 1.甲烷的正四面体构型 甲烷是最简单的烷烃，分子中四个氢原子的状态完全相同。用物理方法测得甲烷为正四面体构型，碳原子处于正四面体的中心，与碳原子相连的四个氢原子位于正四面体的四个顶点，四个碳氢键完全相同，键长为0.110nm，彼此间的键角为109.5°。甲烷的正四面体构型如图2-1所示。 图2-1 甲烷的正四面体构型 C H C 1s22s22px12py1,按照未成键电子的数目，碳原子应当是二价。然而，实际上甲烷等烷烃分子中碳原子一般是四价，而不是二价。原子杂化理论设想，碳原子形成烷烃时： 它们的空间取向是分指向四面体的顶点。sp3轨道的对称轴之间互成109.5度。 2.碳原子的sp3杂化 2 s 2 s 2 p x 2 p y 2 p z 2 p x 2 p y 2 p z 跃 迁 s p 3 杂 化 轨 道 s p 3 杂 化 基 态 激 发 态 杂 化 态 由于C的四个sp3轨道的几何构型为正四面体，轨道对称夹角为109°28′ ，这就决定的烷烃分子中碳原子的排列不是直线形的。甲烷的正四面体构型可用契性透视式表示： 实线表示处在纸平面上的价键，虚契性线表示处在纸面的价键，实契性线表示处在纸面前的价键。 甲烷分子的形成 3.σ键 像甲烷分子中的碳氢键这样，成键原子沿键轴方向重叠（也称为“头碰头”重叠）形成的共价键叫做σ键。σ键的特点是轨道重叠程度大，键比较牢固；成键电子云呈圆柱形对称分布在键轴周围，成键两原子可以绕键轴相对自由旋转。σ键的自由旋转，使分子中的原子产生不同的空间排布，从而形成不同的构象。 4.其他烷烃的结构 其他烷烃分子中的碳原子也都是发生sp3杂化，除C—Hσ键外，碳原子之间以sp3杂化轨道形成C—Cσ键。例如乙烷分子中，两个碳原子各以一个sp3杂化轨道沿键轴方向重叠形成C—Cσ键，每个碳原子以剩余的三个sp3杂化轨道分别与三个氢原子的1s轨道沿键轴方向重叠，共形成六个C—Hσ键。实验证明，乙烷分子中C—C键长为0.154nm，C—H键长为0.110nm，键角也是109.5°。而其他烷烃分子中的各个碳原子上相连的四个原子或基团并不完全相同，因此每个碳上的键角也不尽相同，但都接近于109.5°。 正是因为烷烃分子中的碳原子基本保持109.5°的键角（也就是四面体结构），所以除乙烷外，其他烷烃分子的碳链并不是呈直线形排列的，而是曲折地排布在空间，一般呈锯齿型排列。例如己烷的碳链结构可表示如下： 虽然烷烃分子中的碳链排列是曲折的，但为方便起见，书写构造式时，仍将其写成直链形式。 理论解释 二、乙烯的结构和碳的sp2杂化 杂化轨道理论认为，乙烯分子中的碳原子在成键时发生了sp2杂化，即碳原子的2s轨道和两个2p轨道重新组合分配，组成了三个完全相同的sp2杂化轨道，还剩余一个未参与杂化的2p轨道。碳原子的sp2杂化过程如下： 1.碳的sp2杂化 每一个sp2杂化轨道含有1/3s成分和2/3p成分，其形状也是一头大，一头小的葫芦形（与sp3杂化轨道完全相同吗？）。三个sp2杂化轨道以平面三角形对称地排布在碳原子周围，它们的对称轴之间的夹角为120°，未参与杂化的2p轨道垂直于三个sp2杂化轨道组成的平面。 (a)三个sp2杂化轨道 (b) 三个sp2杂化轨道与一个p轨道 p轨道 120° 2. 乙烯的结构和π键 乙烯分子形成时，两个碳原子各以一个sp2杂化轨道沿键轴方向重叠形成一个C—Cσ键，并以剩余的两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道沿键轴方向重叠形成4个等同的C—Hσ键，5个σ键都在同一平面内，因此乙烯为平面构型。此外，每个碳原子上还有一个未参与杂化的p轨道，两个碳原子的p轨道相互平行，于是侧面重叠（也称为“肩并肩”重叠）成键。这种成键原子的p轨道平行侧面重叠形成的共价键叫做π键。 乙烯分子中的σ键和π键如图 118° σ键和π键的特点比较