Cấu trúc điện tử của nguyên tử carbon và sự tạo thành các liên kết trong hợp chất hữu cơ

Chơng 1
CấU TRúC điện tử CủA NGUYêN Tử CARBON
Và Sự TạO THàNH CáC LIêN KếT TRONG HợP CHấT HữU Cơ
Mục tiêu
1. Trình bày đợc cấu tạo điện tử carbon ở các trạng thái lai hóa sp
3
, sp
2
và sp.
2. Giải thích đợc cách hình thành các loại liên kết:
Cộng hóa trị
Liên kết phối trí
Liên kết hydro
Nội dung
1. Cấu trúc điện tử (electron) của nguyên tử carbon
1.1. Thuyết carbon tứ diện (Vant Hoff- Le Bel 1874)
Nguyên tử carbon có 4 hóa trị. Bốn hóa trị của carbon hớng ra bốn đỉnh của
một tứ diện. Tâm của tứ diện là nguyên tử carbon.

C

109
o
28'
CC
109
o
28'

Các góc hóa trị ở tâm đều bằng nhau và bằng 10928'. Khi nguyên tử carbon
liên kết với 4 nguyên tử hoặc 4 nhóm thế đồng nhất ta đợc một tứ diện đều.

1.2. Cấu trúc điện tử của nguyên tử carbon
1.2.1. Carbon ở trạng thái cơ bản
Carbon có có cấu hình điện tử C
1S
2
2S
2
2
p
x
2
p
y
11
1S
2
2S
2
2
p
2

1
s
2
2
s
2
2p
2

2 điện tử đơn độc là p
x
và p
y
. Còn có một orbital 2p
z
trống không có điện tử
1.2.2. Carbon ở trạng thái kích thích C
*
11
1S
2
2S

2
p
x
2
p
y
2
p
z
1
1S
2
2S
1

2
p
3
1


11
Carbon hÊp thu n¨ng l−ỵng 60-70 kcal/mol, mét ®iƯn tư 2s
2
chun lªn tr¹ng
th¸i 2p (orbital 2p
z
).
1
s
2
2
s
2
s
2
2
p
2
1
s
2
C
1
s

2
2
s
2
2
p
2
C
1
s
2
2
s
1
2
p
3
2
p
x
2
p
y
2
p
z

Carbon cã cÊu h×nh ®iƯn tư 1
s
2

2
s
1
2
p
3
lµ carbon kÝch thÝch (1s
2
2s
1
2p
x
2p
y
2p
z
).
KÕt qu¶ lµ carbon cã 4 ®iƯn tư ®¬n ®éc t¹o liªn kÕt. Carbon lu«n cã hãa trÞ 4.
Bèn ®iƯn tư cđa carbon kÝch thÝch cã n¨ng l−ỵng kh¸c nhau do ®ã c¸c liªn kÕt cđa
carbon ph¶i kh¸c nhau. Thùc tÕ ph©n tư metan cã 4 liªn kÕt C
_
H hoµn toµn gièng
nhau .
1.2.3. Carbon ë tr¹ng th¸i lai hãa
Khi t¹o thµnh c¸c liªn kÕt, orbital 2
s
vµ mét sè orbital 2p cã thĨ tỉ hỵp l¹i
t¹o thµnh nh÷ng orbital cã d¹ng kh¸c c¸c orbital ban ®Çu vµ cã kh¶ n¨ng xen phđ
cao h¬n do ®ã liªn kÕt ®−ỵc h×nh thµnh còng bỊn h¬n. Sù tỉ hỵp ®ã ®−ỵc gäi lµ sù
lai hãa.

• Lai hãa sp
3

KiĨu lai hãa thø nhÊt gäi lµ lai ho¸ sp
3

(cßn gäi lµ lai hãa tø diƯn).
Mét orbital 2s vµ 3 orbital p tỉ hỵp víi nhau t¹o thµnh 4 orbital lai hãa sp
3
.
Sự tổ hợp 2s và 2p
Orbital lai hoá sp
Carbon lai hóa sp3

tỉ hỵp 2s vµ 2p
bital lai ho¸ sp
Carbon lai ho¸ sp
3
Or
Sù
C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy r»ng nÕu xem kh¶ n¨ng xen phđ cđa orbital
s lµ 1 th× cđa orbital p lµ
3
vµ cđa orbital sp
3
lµ 2.
21 3

• Lai hãa sp
2

.
Sù tỉ hỵp orbital 2s víi 2 orbital 2p (2p
x
, 2p
y
)
t¹o thµnh 3 orbital lai hãa sp
2

hay cßn gäi lµ lai hãa tam gi¸c. Trơc ®èi xøng cđa 3 orbital sp
2
n»m trong mét
mỈt ph¼ng vµ t¹o nªn nh÷ng gãc 120°. Kh¶ n¨ng xen phđ t−¬ng ®èi cđa orbital
sp
2
lµ 1,99.

12
120
o
P
z
Sự tổ hợp 2s và 2p
không lai ho
Carbon lai hóa 2sp
2
Orbital 2p
z

Orbital 2pz kh«ng lai ho¸

Carbon lai ho¸ 2sp
2
Sù tỉ hỵp 2s vµ 2p
Nh− vËy trªn carbon lai hãa sp
2
cßn cã mét ®iƯn tư trªn orbital 2p
z
kh«ng lai
hãa. Orbital nµy cã d¹ng h×nh khèi sè 8 nỉi .
• Lai hãa sp
Tỉ hỵp mét orbital s vµ mét orbital 2p
x
t¹o thµnh 2 orbital lai hãa sp víi kh¶
n¨ng xen phđ t−¬ng ®èi 1, 93 vµ gãc t¹o bëi trơc ®èi xøng cđa 2 orbital lµ 180
o
hay
cßn

gäi lµ lai hãa ®−êng th¼ng.
Trªn carbon lai hãa sp cßn cã 2 ®iƯn tư p kh«ng tham gia lai hãa 2py vµ 2pz


Sư tổ hợp 2s và 2p
Orbital lai hóa sp 2 Orbital 2p
y
và 2p
z

Sù tỉ hỵp 2s vµ 2p
Orbital lai ho¸ sp

2 Orbital 2p
y
vµ 2p
z
Sù lai hãa gi÷a orbital s vµ p còng x¶y ra trong c¸c nguyªn tư oxy, nit¬ ...

2. Sù t¹o thµnh c¸c liªn kÕt
2.1. Sù t¹o thµnh liªn kÕt céng hãa trÞ - Liªn kÕt σ vµ liªn kÕt π
Liªn kÕt ®−ỵc t¹o thµnh do sù xen phđ cùc ®¹i cđa c¸c orbital nguyªn tư
thµnh orbital ph©n tư. Khi vïng xen phđ cđa c¸c orbital nguyªn tư cµng lín th×
liªn kÕt (orbital ph©n tư) ®−ỵc t¹o thµnh cµng bỊn vµ n¨ng l−ỵng tho¸t ra khi
h×nh thµnh liªn kÕt cµng lín. Khuynh h−íng cđa sù xen phđ lµ tiÕn tíi cùc ®¹i, ®ã
lµ néi dung cđa nguyªn lý xen phđ cùc ®¹i .
C¸c orbital nguyªn tư t−¬ng t¸c cã hiƯu qu¶ víi nhau thµnh orbital
ph©n tư chóng ph¶i tháa m·n 3 ®iỊu kiƯn:
• N¨ng l−ỵng cđa chóng gÇn nhau .
• Sù xen phđ ë møc ®é lín.
• Chóng ph¶i cã cïng mét kiĨu ®èi xøng ®èi víi trơc nèi hai h¹t nh©n nguyªn tư.
Nh− vËy 2 orbital s, hc 1 orbital s vµ 1 orbital p nµo cã trơc ®èi xøng trïng
víi trơc nèi 2 h¹t nh©n cã thĨ tham gia xen phđ nhau thµnh orbital ph©n tư.

13
Tùy theo đặc điểm đối xứng của các orbital nguyên tử, sự xen phủ của chúng
có thể theo trục hay ở bên trục nối giữa 2 nguyên tử.
Sự xen phủ theo trục orbital tạo liên kết

.
Sự xen phủ bên xảy ra sẽ tạo thành liên kết

.

Xen phủ trục - Tạo liên kết



Orbital s
Liên kết

Orbital s
Orbital p
Liên kết

Orbital p
Orbital p
Liên kết



Xen phủ bên - Tạo liên kết


Orbital p
Orbital p
Lieõn keỏt
+

2.2. Liên kết và liên kết trong các hợp chất hữu cơ
2.2.1. Trong các hợp chất hữu cơ liên kết


tạo thành do sự xen phủ

Orbital s của nguyên tử hydro với các orbital lai hóa của carbon sp
3
, sp
2
, sp.
Orbital lai hóa của carbon xen phủ với nhau.
Orbital lai hóa s và p của nguyên tử oxy hoặc của nitơ với orbital s của hydro
hoặc với các orbital lai hóa của carbon sp
3
,

sp
2
, sp trong các hợp chất có liên
kết O-H hoặc C-O và trong các hợp chất có liên kết N-H hoặc C-N.
2.2.2. Liên kết

đợc tạo thành do sự xen phủ
Orbital P
y
hoặc P
z
của các nguyên tử carbon xen phủ với nhau từng đôi một
để tạo thành liên kết trong C=C hoặc trong C C.
Orbital p của nguyên tử oxy, nitơ xen phủ với orbital p của nguyên tử carbon
tạo thành liên kết trong C=O hoặc trong C =N, CN.
Ví dụ:
Sự tạo thành liên kết

trong các hợp chất etan, ethylen, acetylen, alcol
ethylic có thể đợc minh họa nh sau:

14
Caực lieõn keỏt
trong phaõn tửỷ etan








H-C-C-H
H
H
H
H

Các liên kết trong
phân tử etan

Caực lieõn keỏt
trong phaõn tửỷ etylen

C

C
H
H
H
H





Các liên kết trong phân
tử ethylen

Caực lieõn keỏt
trong phaõn tửỷ acetylen
C
C
H
H




Các liên kết trong
phân tử acetylen

c-c

c-o

o-
H

CC
H
H
H
H
H
OH
Caực lieõn keỏt
trong phaõn tửỷ

alccol etylic
Các liên kết trong
phân tử alcol ethylic


Sự tạo thành liên kết

trong phân tử ethylen, acetylen có thể minh họa nh sau:
Liên kết

trong ethylen đợc tạo thành do sự xen phủ cực đại về 2 phía của
các orbital P
z
không lai hóa. Liên kết

(orbital phân tử
)
nằm trong mặt phẳng
thẳng góc với mặt phẳng chứa các nguyên tử C và H.


H
H
H
H


Lieõn keỏt
trong etylen
H
H
H
H

Liên kết
en trong ethyl
Hai liên kết

trong acetylen đợc tạo thành do sự xen phủ cực đại về 2 phía
của các orbital p
y
và p
z
tơng ứng. Các orbital liên kết

nằm trong 2 mặt phẳng
thẳng góc với nhau.

H
Caực lieõn keỏt


trong phaõn tửỷ acetylen
H H
H





Liên kết
n trong acetyle

15