杂化指数的概念经常出现在讨论弯曲键,亲核/亲电中心软硬程度等问题上,很多时候看到 sp3.4 之类的概念会感觉摸不着头脑,其实它的逻辑是:从sp杂化到sp³杂化,s的成分越少,键角越小,所以这个概念是用来补充上面提到过的VSEPR模型偏差的。很多时候是由观察结果逆推的,现在因为杂化概念渐渐弱势,这个说法也没什么重要的了,更多是用在教学中。不过现在因为有时会和NBO(自然键轨道)的结果对照,而且用得还是不少,知道一些也好。
二维核磁谱和杂化指数的关系。“s轨道在碳原子核周围电子密度高”、“p轨道更适合于形成键角小的键”,很多地方会把上面这个结论推广到推拉电子问题上。
1.1.7 化学键的价键/分子轨道混合模型
有机中化学键理论主要涉及价键理论VBT和分子轨道理论MOT,详细讲这两个太花时间,可以翻翻结构化学或国外的物理化学教材,注意”Lewis结构式-电子局域化-共振论-杂化论-电负性/电子亲合势-杂化“这一整套是Pauling的理论体系,MOT则是另一套,现在为了更形象地解释一些问题会把两者结合在一起,两者也确实相辅相成,但用MOT讨论共振式其实很奇怪。
高中讨论的σ键和π键属于VBT理论,而成键轨道反键轨道属于MOT,不过现在两者也确实常常联用,因为分子轨道线性组合的计算对大多数人还是太抽象了,‘结合’VBT的杂货轨道可以方便理解。Nodal plane-节面,Bonding orbital-成键轨道,antibonding orbital反键轨道。左图表示的是乙烯中的π键。
σ 键和π 键的形成包括位于相邻原子之间的成键和反键分子轨道,这已经是有机化学家最常用的标准概念。大多数有机化合物的反应特性可以用这种概念很好地解释,它是描述有机反应机理的电子推动方法的出发点 。这种化学键理论在有机化学中极其重要。
这张Evans讲义的截图就是上面这段话的一个例子。这里讨论的是卤代烃E2消除的立体化学问题,电子推动的方向是β碳上的HOMO轨道→α碳上C-X键的LUMO轨道,后面应该会细讲这种东西。
VBT和MOT都是以计算为出发点理论,以建立模型-实验证实为主,它们具有很高的理论指导性,所以没有之前的理论种那种根据实验结构修修补补的感觉。
1.1.8 极性共价键。
预测化合物的反应特性需要知道化合物的电荷分布。前面讲了VSEPR 和杂化等概念可以用来解释分子的形状和结构,现在利用这两个理论推测分子内的电荷分布,这是非常经验化的东西,也正是因为有这样的东西,给人一种有机靠背诵的感觉。虽然现在有计算化学软件,比如高斯软件,可以给出分子的HOMO-LUMO,给出各种可能机理的中间态能量,但是每看到分子反应都用高斯算太费事了,希望随着AI的发展以后有个程序能自动给出这个分子的反应特性。怎么说是因为很多反应的结果确实反直觉,只能看结果推测原因,比如青蒿素还原过程成二氢青蒿素的过程中过氧键可以保留。
几个概念共价键(极性共价键)、电负性(Pauling电负性,离子势,电子亲和势)不详述,这里提一点,Fr的金属性不如Cs,理由和6s惰性电子对效应一样。