有机化学e键为什么稳定(有机化学科普四)

背景

在有机化学中,原子与原子之间成键的形式一般只有两种,一种是共价键,另一种是离子键。今天要普及的就是一种共价键,但是它又不同于一般的共价键。

有机化合物一般也有两种形式,即链状和环状。链状,就是不闭环的类似于链子一样的化合物;环状,顾名思义就是像环一样的化合物。香蕉键就存在于环状化合物中。

原子轨道杂化方式

以碳原子为例,原子轨道杂化方式共有3种:

  1. sp³杂化:碳原子处于基态时,其2s轨道上有2个自旋方向相反的电子,2p轨道共有三个,其中只有两个2p轨道上各有一个电子。一旦受到激发,2s轨道上的其中一个电子就会跃迁到那个空的2p轨道上,进而这4个轨道发生sp³杂化,最终形成4个能量相同的sp³杂化轨道。
  2. sp²杂化:由于是sp²杂化,所以三个2p轨道中只有其中两个会参与杂化,最终形成了3个能量相同的sp²杂化轨道,还有一个未参与杂化的p轨道,p轨道中有一个电子,这个p轨道最终会与另一个p轨道生成一个π键。
  3. sp杂化:由于是sp杂化,所以三个2p轨道中只有其中一个会参与杂化,最终形成了2个能量相同的sp杂化轨道,还有两个未参与杂化的p轨道,这两个p轨道中各有一个电子,这两个p轨道最终会与另外两个p轨道生成两个π键。
杂化后的轨道构型及轨道之间的夹角大小
  1. sp³杂化轨道的构型为四面体形,轨道之间夹角为109°28′。
  2. sp²杂化轨道的构型为平面三角形,轨道之间夹角为120°。
  3. sp杂化轨道的构型为直线形,轨道之间夹角为180°。
何为香蕉键?

要引出香蕉键,必须提到一个与之相关的化合物,该化合物就是环丙烷,如图所示:

有机化学e键为什么稳定(有机化学科普四)(1)

环丙烷是一个环状化合物,且为三元环。

三元环状化合物,看起来原子轨道之间的键角应该为60°,但是事实上并非如此,那么原因何在?

原因就在于原子轨道的杂化方式上。

上文已经提到,碳原子原子杂化方式就三种,而这环丙烷上碳原子的杂化方式就是这三种杂化方式中的sp³杂化,因为这上边的碳原子并没有π键生成,故而其只能为sp³杂化。

既然是sp³杂化,那么前文也提到了sp³杂化得到的轨道之间的夹角是109°28′,而并非60°,即便杂化轨道之间的夹角会有所缩小,也不至于能缩小40多度,所以这个时候就会开始怀疑环丙烷的碳原子究竟是不是sp³杂化了。

但是环丙烷碳原子也绝不可能是sp²或者sp杂化,因为sp²和sp杂化轨道的轨道间夹角比sp³杂化轨道的轨道间夹角还要大,更不可能缩小到60°了,所以没有必要去怀疑环丙烷碳原子的杂化方式,它就是sp³杂化。

但是其虽然是sp³杂化,但却和一般的sp³杂化轨道之间成键的方式有点不一样。

一般化合物的原子之间成键时,杂化轨道会沿键轴方向相互交互造成电子云重叠以成键,而环丙烷碳原子之间成键时杂化轨道并不沿键轴方向相互交互成键,而是以一种弯曲的方式来成键,正是因为这种弯曲键是弯曲形状的,形似香蕉,故称此键为香蕉键或者弯曲键。

所以,我们平时习以为常地把环丙烷画成三角形形状实际上是错误的画法,正确的画法事实上应该是三个碳原子之间画成弯曲线,而不该是直线。不过,即便很多情况下见到的都是三角形状的环丙烷,也应该在心中明白它的原子成键是香蕉键。

实际上,不只是环丙烷这种化合物的碳原子之间成的是香蕉键,环氧乙烷也是如此,毕竟它们都是三元环。

而四元环、五元环、六元环等等多元环就不是这样的了,构成它们的碳原子之间就不是香蕉键了,而是正常的σ键了。这同时也就成为了三元环与其它元环有不同性质的原因了。

香蕉键的特殊性质

香蕉键之所以会是弯曲的,完全是因为三元环环张力太大了。实际上三个原子形成三元环是极其不易的,一旦形成也是不稳定的,因为构成键的原子轨道极力想要恢复本身的109°28′轨道夹角,所以这就导致了环内形成了巨大的张力,结果导致了体系的能量很高,其很不稳定,极易发生化学反应。

同时,香蕉键因为其是弯曲的,所以键上的电子云重叠程度很低,甚至比π键的电子云重叠程度还低,所以该化学键的强度也极低。

利用弯曲键的性质来判断碳正离子的稳定性

比较环丙基甲基碳正离子和苄基型碳正离子的稳定性的大小

两种离子图示如下:

有机化学e键为什么稳定(有机化学科普四)(2)

上图为环丙基甲基碳正离子

有机化学e键为什么稳定(有机化学科普四)(3)

上图为苄基型碳正离子

分析如下:

咋一看会看到苄基型碳正离子中苯环大π键与碳正离子的p空轨道形成共轭,该物质会比环丙基甲基碳正离子更稳定,但是环丙基不同于一般的环状化合物,其上有香蕉键,香蕉键上电子云重叠程度更小,电子离域能力更大,一旦与碳正离子的p空轨道共轭,那么正电荷就可以更好的被分散,所以环丙基甲基碳正离子比苄基型碳正离子的稳定性更好。

好了,今天的内容就到这里,化学里有趣的东西多了去了,如果你愿意了解,我就陪你一直聊下去,再见!

欢迎喜欢化学的各位亲们在评论区留言讨论,转发分享!

,

免责声明:本文仅代表文章作者的个人观点,与本站无关。其原创性、真实性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以及其中全部或者部分内容文字的真实性、完整性和原创性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并自行核实相关内容。文章投诉邮箱:anhduc.ph@yahoo.com

    分享
    投诉
    首页