二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构

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共轭二烯π电子离域结构分类

二烯烃的结构

看清三种二烯烃的电子差异,掌握共轭体系的本质

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共轭二烯π电子离域结构分类

二烯烃的结构

看清三种二烯烃的电子差异,掌握共轭体系的本质

1第 1 页 · 二烯烃的结构

共轭效应的定义

什么是共轭效应——π电子离域带来分子稳定性的改变

共轭效应的定义
什么是共轭效应——π电子离域带来分子稳定性的改变
2第 2 页 · 共轭效应的定义

共轭效应的类型

前页说到共轭效应是电子在相邻p轨道间"串门"。但串门对象不同——全是π键"住户"是一种,旁边站着一位"特殊邻居"(带孤对或空p轨道)又是另一种。两类结构差异直接决定了分子性质的分叉。

π-π共轭
两个或多个π键以单键相连,p轨道重叠形成大π键
p-π共轭
π键与相邻p轨道(带孤对或空轨道)侧向重叠
关键差异
看参与者:全π键=π-π;含p轨道=p-π
典型实例
1,3-丁二烯属π-π;氯乙烯、烯丙基正离子属p-π
两间相邻的客房对应 →共轭体系

两客房相通=π-π;客房旁带储藏室=p-π,电子可进出

3第 3 页 · 共轭效应的类型

共轭π键的形成过程

沿箭头从左到右:四个碳先杂化,再长出 p 轨道,最后侧面重叠成离域 π 键。

图解渲染中…
Asp²杂化使碳成平面三角,留出空p轨道C侧面重叠:p轨道肩并肩,非头碰头D电子离域于四个碳上方,非定域在某根键
4第 4 页 · 共轭π键的形成过程

超共轭效应

前面我们看到 p 轨道电子能进入共轭 π 体系。但还有一类更弱的情况——紧紧挨着 π 体系的 σ 键(C–H 或 C–C),也能把一点点电子密度「借」给 π 体系。这就是超共轭。

本质
σ 键电子对相邻 π 体系的弱给电子作用,重叠程度低于 p–π 共轭
结构条件
必须有 σ 键紧邻 π 体系(α–C–H 或 α–C–C)
轨道图像
σ 成键轨道与 π* 反键轨道(或空 p 轨道)部分重叠
强度特征
α–H 越多越强;整体比 p–π 共轭弱,但累计后不可忽略
化学体现
稳定碳正离子、解释甲苯邻对位及烯烃 Markovnikov 规则
老邻居临时帮忙看家对应 →σ 键给 π 体系微弱供电子

σ 键不在 π 体系内但紧邻;多个 α–H 累计效应才明显

σCH    πC=C\sigma_{C-H}\;\to\;\pi^{*}_{C=C}
5第 5 页 · 超共轭效应

共轭效应vs超共轭效应

两者都让电子离域,但用的轨道不同:共轭动π电子,超共轭动σ(C-H)电子。强度、机制都不可混为一谈。

共轭效应
  • 参与电子:π电子(或p轨道上的孤对电子)
  • 重叠方式:相邻p轨道平行肩并肩叠合
  • 离域强度:强——形成贯穿的大π键
  • 典型场景:1,3-丁二烯、苯环等共轭体系
超共轭效应
  • 参与电子:σ电子(邻位C-H键)
  • 重叠方式:σ轨道与相邻p轨道侧向部分重叠
  • 离域强度:弱——仅微弱参与
  • 典型场景:碳正离子稳定性、烯烃α-H的反应性
体系稳定性与紫外光谱看共轭;解释碳正离子稳定顺序、烯烃α-H反应选择性必须用超共轭。
6第 6 页 · 共轭效应vs超共轭效应

共轭效应自测

点击作答

1,3-丁二烯的四个π电子能离域到整个分子,根本原因是什么?

7第 7 页 · 共轭效应自测

分子轨道理论基础

前面讲过 p 轨道肩并肩重叠形成共轭 π 键,但电子为什么能"离域"到整个体系?这就要靠分子轨道理论——它把原子轨道重新组合,给每颗电子一个明确的"住址"和"房租"。

成键轨道
同相位 p 轨道叠加,能量低于孤立 p 轨道,电子填入后分子更稳定
反键轨道
反相位 p 轨道叠加,产生节面,能量高于孤立 p 轨道,电子填入使分子不稳定
非键轨道
能量与原子轨道持平,多出现于 p 轨道数为奇数或含杂原子的体系(如烯丙基正离子)
两列水波相遇对应 →分子轨道的形成

同相叠加→水位更高(成键,能量更低);反相叠加→波峰对波谷(反键);单独不变(非键)

8第 8 页 · 分子轨道理论基础

π分子轨道能级图

横向看:左乙烯、右丁二烯;箭头方向即能级升高。重点对比两边HOMO与LUMO的位置。

图解渲染中…
a1乙烯HOMO——最低成键π轨道b1乙烯LUMO——最低反键π*轨道d1丁二烯HOMO,能量高于乙烯π₁e1丁二烯LUMO,能量低于乙烯π₂*
9第 9 页 · π分子轨道能级图

轨道叠加与电子离域

上页的能级图告诉我们 π 分子轨道有高有低,但凭什么一个低、一个高?答案藏在波函数相遇的方式里——这页就拆开看。

同相叠加 → 成键
两个p轨道波函数符号相同区域相遇,振幅相加,核间电子云密度增大,能量降低。
反相叠加 → 反键
波函数符号相反区域相遇,振幅相消,核间出现电子密度为零的节面,能量升高。
节面 = 能量分水岭
成键轨道两核之间无节面,反键轨道恰有一个节面——这是判别两类轨道的硬指标。
水面两列波相遇对应 →两个p轨道波函数叠加

波峰遇波峰→叠加变高(成键);波峰遇波谷→相互抵消出现平静线(反键,中间即节面)。

ψ±=ψ1±ψ2,E±=α±β\psi_{\pm}=\psi_1\pm\psi_2,\quad E_{\pm}=\alpha\pm\beta
10第 10 页 · 轨道叠加与电子离域

1,3-丁二烯的分子轨道

四个p轨道线性组合,得到四个π分子轨道,能量从低到高,节点从0到3。

图解渲染中…
P四个碳原子各一个p轨道,垂直于分子平面Ln个原子轨道线性组合得到n个分子轨道M1能量最低,四个p轨道全部同号叠加M4能量最高,相邻p轨道全部反号叠加
11第 11 页 · 1,3-丁二烯的分子轨道

分子轨道理论自测

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1,3-丁二烯ψ2分子轨道在C2-C3之间有一个节点。这意味着ψ2中的电子对C2-C3键?

12第 12 页 · 分子轨道理论自测

共振论的基本思想

上一页看到,π电子在共轭链上离域;为了把这种分散的电子分布说清楚,化学家不把它硬塞进一个经典价键式,而是画出若干电子位置不同的结构画面。

共振贡献式
电子位置不同但原子连接相同的若干路易斯结构
共振杂化体
贡献式按稳定性权重组合,描述真实分子的单一整体
权重判据
八隅体完整、电荷少且电负性安排合理的贡献式权重更大
箭头边界
双箭头表示共振而非反应;贡献式不是中间体,也不能被单独观测
透明胶片叠图对应 →共振贡献式与杂化体

每张胶片像一种贡献式,叠合图案才是真实分子;不能把胶片当成会互相转化的几种物质

13第 13 页 · 共振论的基本思想

共振结构式的画法

从左到右按流程走:先找可动电子,画弯箭头,检验规则,保留合法共振式,循环直到穷尽。

图解渲染中…
A3能动的只有π键电子和孤对电子,σ键与原子核一律不能动D1必须同时满足:原子位置不变、总电荷不变、未配对电子数不变E1回到起点继续推,直到再也找不到可移动电子对为止F1真实分子不是任何单一共振式,而是所有共振式的加权平均
14第 14 页 · 共振结构式的画法

共振稳定化能

上节我们学会了画共振结构式——真实分子不是任何单一结构,而是多个共振式的加权平均。但「加权平均」到底让分子稳定了多少?这就要量化了。

共振能定义
真实分子与「最稳定共振式」对应能量的差值,反映电子离域带来的稳定化
氢化热测定法
用共轭分子的实测氢化热,减去假设双键孤立时计算出的氢化热
丁二烯的共振能
约 15 kJ/mol,由 1,3-丁二烯与 1,4-戊二烯氢化热差值得到
共振能的量级差异
丁二烯约 15 kJ/mol,苯约 150 kJ/mol,差近十倍,反映离域程度
共振能的物理意义
共振能越大→分子越稳定→越倾向以共轭/离域形式存在
合伙经营比单干多挣的钱对应 →共振能

真实分子像合伙,比单一共振式「单干」多出的稳定性就是共振能

E共振=ΔH孤立(计算)ΔH实测15 kJ/mol (1,3-丁二烯)E_{\text{共振}} = \Delta H_{\text{孤立(计算)}} - \Delta H_{\text{实测}} \approx 15\text{ kJ/mol (1,3-丁二烯)}
15第 15 页 · 共振稳定化能

共振论自测

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关于1,3-丁二烯的共振描述,下列哪一项正确?

16第 16 页 · 共振论自测

1,3-丁二烯的结构

前面讨论共轭效应时我们反复提到1,3-丁二烯,现在钻进它的原子结构里看个究竟——四个碳到底是怎么排的。

四个碳全部sp²杂化
每个碳用三个sp²轨道与相邻碳、氢形成σ键,剩下一个未杂化的p轨道
分子呈平面构型
四个碳和六个氢原子共处同一平面,键角接近120°
p轨道垂直于平面
四个碳的p轨道相互平行,垂直于分子平面排列
C-C单键键长缩短
C1-C2、C3-C4约148pm,比乙烷C-C单键短;C2-C3也缩短
一排四根立柱各顶一根天线对应 →1,3-丁二烯sp²骨架与p轨道

立柱=共面sp²碳骨架;天线=垂直p轨道;平行才能侧向重叠形成共轭π键

dC=C=134 pm<dC-C,丁二烯=148 pm<dC-C,乙烷=154 pmd_{\text{C=C}}=134\text{ pm} < d_{\text{C-C,丁二烯}}=148\text{ pm} < d_{\text{C-C,乙烷}}=154\text{ pm}
17第 17 页 · 1,3-丁二烯的结构

s-顺式与s-反式构象

横向看旋转互变,纵向看p轨道与能量差异

图解渲染中…
a1s-trans,两C=C分居C2-C3单键两侧a3s-cis,两C=C位于C2-C3单键同侧a4四个p轨道平行,共轭充分a5两端H相互排斥,p轨道略偏
18第 18 页 · s-顺式与s-反式构象

共轭二烯烃与隔离二烯烃

上页我们把1,3-丁二烯摆来摆去,但它属于哪一类二烯烃?要回答这个问题,得先把二烯烃按双键的相对位置分分类。

共轭二烯烃
两个C=C之间恰好间隔一个C-C单键(如1,3-丁二烯),p轨道连续重叠
隔离二烯烃
两个C=C之间间隔两个及以上C-C单键,π体系互不连通
本质区别
共轭才有跨单键的π电子离域;隔离双键的π电子被中间单键隔开
两户共用一面墙对应 →共轭双键的p轨道

墙连通=电子离域;中间隔了别家=双键被隔断

19第 19 页 · 共轭二烯烃与隔离二烯烃

课后思考

三个开放问题,先自己想想再对照提示;答案刻意留白,是希望你在思路上多停一会。

1为什么1,3-丁二烯倾向于发生1,4-加成而不是1,2-加成?共轭π键在其中扮演了什么角色?

参考答案从共轭π键的电子离域出发:π电子分布于C1~C4整个体系,1,4-加成保留中间双键,热力学与动力学上都更稳定——这就是共轭支配加成位点的因果链。

2如果把1,3-丁二烯两端的CH₂替换成O或N原子,还能形成类似的共轭体系吗?

参考答案看是否仍满足p轨道平行重叠的条件。O、N都提供p轨道,但杂化方式可能让骨架弯曲、平面性丧失,共轭随之减弱——这正是判断共轭边界的入手处。

3如何判断一个反应结果是共轭效应还是超共轭效应主导?

参考答案看结构:双键直接相连是p-p重叠,属共轭(强);隔一个碳是σ-p重叠,属超共轭(弱)。强度差约一个数量级,共轭效应优先决定反应位点。

20第 20 页 · 课后思考