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談?wù)効臻g位阻

  說到空間位阻,就不得不提到電子的推斥。首先,我們要理解為什么成鍵電子沒有因為排斥而散開。
    高中時候,老師就告訴我們,成鍵電子相互排斥,并由此推出的價層電子對互斥理論可以快速地推理未知分子的幾何結(jié)構(gòu)??墒牵瑸槭裁础肮聦﹄娮印笨梢猿蓪Τ霈F(xiàn),而兩根化學(xué)鍵中的電子卻產(chǎn)生了推斥呢?
    Leon Cooper在1965年,提出了庫珀電子對的概念,大意是:一對自旋相反的電子,在極低的溫度下,可以相互配對,其中存在弱耦合作用。兩個電子之間通過交換聲子(Phonon,晶格振動的能量子)形成束縛態(tài),正如一對戀人相互交換信物形成戀愛關(guān)系一樣。

    同時,這兩個電子之間還受到庫侖力的排斥力的作用。正是這兩個力的共同作用,才使這兩個電子彼此挨近而又保持一定距離,組成電子對──庫珀對(Cooper-Pair)。超導(dǎo)也是同樣的原理,由于電子引起離子密度的微小漲落,從而離子和電子的引力一定程度上抵消了電子斥力,可以維持一個介穩(wěn)定的狀態(tài)。以上例子只是說明電子可以成對的一種方式,化學(xué)鍵里,電子并不是以這種方法結(jié)合的。

    眾所周知,要想形成化學(xué)鍵,兩側(cè)結(jié)合的軌道就要滿足三個原則:軌道對稱性匹配,軌道能量相近,軌道最大重疊。以氫分子離子為例,兩個原子核本來是互相排斥的,但是有了一個電子,這個電子和兩個原子核都有吸引力,那么整個三體體系的最穩(wěn)定狀態(tài)顯然是電子在兩個原子核中間,這樣一來,我們認(rèn)為兩個原子形成了化學(xué)鍵。即:原子軌道的電子對并不是電子結(jié)合成對緊挨在一起,而是波函數(shù)的組合引起的“概率”問題,在這里討論電子的配對是不合適的。

    實際上,所謂的化學(xué)鍵也可以理解為一種電子結(jié)構(gòu)?;瘜W(xué)鍵之間的作用是靜電相互作用,因此必然存在靜電斥力。電子填充在不同的軌道里,賦予不同的軌道以能量,從而發(fā)生軌道之間的相互作用。還有一種解釋:“分子斥力是一種“熵力”,并不是真實的相互作用;自旋同向兩電子電子云重疊時,根據(jù)費米子波函數(shù)反對稱性,該體系定態(tài)能量高于單電子態(tài)簡單相加,因此熱平衡時該量子態(tài)上的粒子數(shù)較少,宏觀上相當(dāng)于排斥力的效果”。

    剛才我們說到,原子軌道的線性組合形成分子軌道,這時,需要考慮原子軌道的組合方式,也就形成了能量低的成鍵軌道和能量高的反鍵軌道。需要注意,并不是所有的軌道都會相互排斥。

    觀察上面的一氧化碳分子軌道,3σ填充了電子,是成鍵軌道,Π2p則是空軌道,是反鍵軌道。需要注意,軌道并不是沒有填充電子就不存在,而是具有一定的形狀。這樣軌道存在的價值就是和另一種軌道疊加后,可以線性組合為新軌道。例如,下面的異頭效應(yīng)的解釋,成鍵軌道和反鍵軌道是不排斥的,在自由基反應(yīng)里面,SOMO之間也是不排斥的。

    化學(xué)鍵的推斥是靜電推斥,這也是經(jīng)典化學(xué)理論中空間位阻的來源。下面用一個例子來說明空間位阻——三苯甲基。三苯甲基是C3v 點群,下圖是從C3軸看的構(gòu)象。

可以看到,三個苯環(huán)沒有采取垂直或平行的堆積,原因是垂直會出現(xiàn)氫原子的Gauche斥力和Π電子的斥力,平行就會出現(xiàn)相鄰苯環(huán)的氫原子推斥。還記得三苯甲基自由基嗎?一般情況下,不會發(fā)生二聚,即使二聚,也會從苯環(huán)的外側(cè)結(jié)合。原因就是在三苯甲基自由基中,自由基被包住了,空間位阻非常大,如圖所示:

    目前,空間位阻只能夠通過計算位能來定量計算,定性則更多依靠實驗人員的經(jīng)驗,希望大家從原理出發(fā),更深刻的理解空間位阻對化學(xué)反應(yīng)的影響。

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共價鍵
七、理論.doc
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