Cách Xác định Lai Hóa Trong Hợp Chất Hữu Cơ - Hỏi Đáp

Nếu trong hoá vô cơ ta hay gặp liên kết ion (còn gọi là liên kết điện hoá trị) thì trong hoá hữu cơ, liên kết cộng hoá trị là liên kết bao trùm và quan trọng hơn cả, sau đó là liên kết phối trí và liên kết hidro xuất hiện trong một số trường hợp. Hãy cùng tìm hiểu nhé!

Nội dung chính Show

• Liên kết cộng hoá trị
• Sự lai hoá
• Obitan phân tử liên kết
• Liên kết δ
• Liên kết π
• Đặc điểm của liên kết cộng hoá trị
• Liên kết đôi
• Liên kết ba
• Hệ liên hợp
• Tổng kết

Cách xác định lai hóa trong hợp chất hữu cơ

Liên kết cộng hoá trị

Theo thuyết cổ điển

Thuyết liên kết cổ điển cho rằng, khi hai nguyên tử kết hợp với nhau, mỗi nguyên tử góp chung vào một electron hoá trị của mình. Các electron này chạy trên cùng một quỹ đạo với các electron cũ tạo nên lớp vỏ khí trơ ở mỗi nguyên tử.

Quan niệm hiện đại thống nhất với quan niệm cổ điển là khi tạo nên liên kết cộng hoá trị, 2 nguyên tử góp chung điện tử, nhưng khác về cách góp chung: do sự xen phủ của 2 obitan.

Quan niệm hiện đại 3.1.2.1. Obitan nguyên tử

Theo cơ học lượng tử, các hạt cơ bản như electron, prôtn có bản chất nhị nguyên: vừa có tính chất hạt, vừa có tính chất sóng. Srodingơ đã thiết lập phuơng trình tổng quát về quan hệ giữa năng lượng của electron và hàm sóng ψ xác định trạng thái của electron trong nguyên tử: H ψ = E ψ (H là toán tử Haminton)

Khi phương trình thoả mãn một số điều kiện nhất định thì hàm số sóng ψ là nghiệm của phương trình và được gọi là hàm sóng obitan nguyên tử gọi tắt là obitan nguyên tử. Theo những kết quả tính toán, các obitan của các electron các mức có hình dạng rất khác nhau: obitan s luôn luôn có dạng đối xứng cầu. Các obitan p có dạng hình số 8 nổi. Các obitan p khác nhau về hướng:

Sự lai hoá

Nguyên tử cacbon tự do ở trạng thái cơ bản có cấu hình electron 1s2, 2s22px 2py . Để giải thích hoá trị 4 của Cacbon người ta cho rằng có một electron 2s chuyển sang obitan 2p còn trống, khi ấy nguyên tử cacbon có cấu hình 1s22s22px1 2py1 2pz1 .

Khi tạo liên kết, obitan 2s và một số obitan 2p có thể tổ hợp lại tạo thành các obtian có dạng khác, dạng số 8 lệch nối, có khả năng xen phủ cao hơn, gọi là các obitan lai hoá. Kết quả tính toán cho thấy, nếu coi sự xen phủ của obitan 2s là 1, 2p là (3)^0.5 thì các obitan lai hoá sp là xấp xỉ 2:

Tuỳ theo khuynh hướng tạo ra các liên kết ở phân tử no hay không no mà có sự lai hoá sp (2s + 2px), sp2 (2s + 2px + 2py) và sp3 (2s + 2px + 2py + 2pz).

Sự phân bố của các obitan (đám mây) lai hoá trên khác nhau. Hai đám mây lai hoá sp phân bố trên cùng một trục, 3 đám mây lai hoá sp2 hướng ra 3 đỉnh của tam giác đều, còn 4 đám mây lai hoá sp3 hướng ra 4 đỉnh của tứ diện đều:

Obitan phân tử liên kết

Theo phương pháp sơ đồ hoá trị cũng như theo phuơng pháp MO, liên kết cộng hoá trị được hình thành do sự xen phủ các obtian nguyên tử thành obitan phân tử liên kết. Khuynh hướng của sự xen phủ là tiến tới cực đại theo nguyên lý xen phủ cực đại.

Liên kết δ

Trong sự xen phủ theo trục, obitan phân tử liên kết có trục đối xứng là đuờng thẳng nối hai hạt nhân, gọi là obitan δ . Đặc điểm chung của obitan là có tính đối xứng đối với trục liên kết và các tiểu phân (nguyên tử, nhóm nguyên tử) có thể quay tương đối tự do quanh trục mà năng luợng tương tác không thay đổi. trong hoá hữu cơ, ta hay gặp 2 kiểu xen phủ tạo liên kết δ sau đây:

Đặc điểm của liên kết σ:

Có sự đối xứng theo trục liên kết.

Năng lượng liên kết σ tương đối lớn (~83 kcal/mol) nên liên kết này khá bền vững.

Các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử ở hai đầu liên kết σ có khả năng quay tự do xung quanh trục liên kết đó mà không làm mất sự xen phủ (thí dụ H-H, H3C- CH3), do đó xuất hiện vấn đề cấu dạng ở hợp chất hữu cơ.

Liên kết π

Khi các obitan xen phủ với nhau về cả 2 phía mà trục obitan vẫn song song với nhau gọi là sự xen phủ bên ta được obitan phân tử π , liên kết được tạo thành là liên kết π . Sự xen phủ như vậy không sâu nên kém bền. Hai trục của 2 obitan song song, nằm trong mặt phẳng π :

Tuy nhiên các tiểu phân không thể tự quay quanh trục liên kết vì nếu quay là phá vỡ xen phủ, phá vỡ liên kết.

Đặc điểm của liên kết π:

Không có tính đối xứng trục.

Các trục obitan p song song nhau tạo thành mặt phẳng gọi là mặt phẳng π.

Năng lượng liên kết π tương đối nhỏ (~60 kcal/mol) nên kém bền hơn liên kết σ, nó dễ bị phân cực hóa hơn liên kết σ.

Các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử ở hai đầu liên kết σ không có khả năng quay tự do như đối với liên kết σ vì khi quay như thế sẽ vi phạm sự xen phủ cực đại của hai AO, phá vỡ liên kết; do đó có khả năng xuất hiện đồng phân hình học ở các hợp chất có nối đôi C=C, nối ba CN. . .

Đặc điểm của liên kết cộng hoá trị

Bền và rất bền (kim cương).

Các liên kết cộng hoá trị có độ dài xác định. Độ dài liên kết của cacbon với các nguyên tử một phân nhóm tăng khi số thứ tự tăng, với các nguyên tử của một chu kì thì giảm khi số thứ tự tăng, sau nữa là khi độ ghép tăng thì độ dài liên kết giảm.

Hướng không gian của các liên kết là xác định và liên kết cộng hoá trị có tính bão hoà.

Hợp chất có liên kết cộng hoá trị thường tạo mạng tinh thể phân tử.

Độ phân cực của liên kết nhỏ, thường < 1,6D.

Tan ít hoặc không tan trong nước, dung dịch dẫn điện kém.

Các liên kết đơn, đôi, ba, hệ liên hợp 3.1.4.1. Liên kết đơn

Trong các phân tử metan và etan chỉ có liên kết đơn, đó là các liên kết π kiểu sp - s và sp - sp. Nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp3. Các liên kết trong phân tử metan và etan được mô tả như sau:

Liên kết đôi

Trong phân tử etilen, liên kết đôi C=C gồm một liên kết δ kiểu sp - sp và một liên kết . Hai nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp2. Các obitan xen phủ tạo nên năm liên kết δ . Trục của năm liên kết này cùng nằm trên một mặt phẳng . Còn lại hai obitan p chúng sẽ xen phủ với nhau tạo thành liên kết δ. Trục của hai obitan này song song với nhau, cùng nằm trong một mặt phẳng giao nhau ở trục liên kết C - C và vuông góc với nhau.

Liên kết ba

Liên kết ba trong phân tử axetilen gồm có một liên kết π và hai liên kết δ . Hai nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp. Các obitan lai hoá sp xen phủ tạo nên ba liên kết δ , có trục nằm trên một đường thẳng. Còn hai obitan py và pz xen phủ với nhau tạo hai liên kết δ có mặt phẳng bổ dọc vuông góc với nhau và cắt nhau ở trục liên kết

Hệ liên hợp

Hệ liên hợp là hệ có nhiều nối đôi xen kẽ đều đặn với nối đôi như buta-1,3- dien hay vòng benzen. Tương tự như etilen, các nguyên tử cacbon trong các hệ đó đều ở trạng thái lai hoá sp2 và hệ các liên kết δ là một hệ phẳng. Các obitan p xen phủ với nhau từng đôi một tạo ra hai liên kết π như trong buta-1,3-dien hoặc xen phủ về cả hai phía tạo obitan phân tử các liên kết π vòng kín như trong benzen

Tổng kết

Trong phân tử hợp chất hữu cơ, các nguyên tử cacbon đều ở trạng thái lai hóa. Với mỗi trạng thái lai hóa khác nhau, nguyên tử cacbon sẽ tạo nên các cấu trúc khác nhau của hợp chất hữu cơ. Theo Theo GS.TS Nguyễn Hữu Đĩnh – Khoa hóa ĐHSP Hà Nội, để xác định trạng thái lai hóa của C, O, N và dạng hình học của phân tử hữu cơ đơn giản cần làm như sau: Bước 1: Viết công thức cấu tạo khai triển của phân tử. Bước 2: a) Nguyên tử (C, N, O) nào chỉ có liên kết đơn thì ở trạng thái lai hóa sp3. b) Nguyên tử (C, N, O) nào có 1 liên kết đôi thì ở trạng thái lai hóa sp2. c) Nguyên tử (C, N, O) nào có 1 liên kết ba hoặc 2 liên kết đôi thì ở trạng thái lai hóa sp. Bước 3: a) Nguyên tử (C, N, O) ở trạng thái lai hóa sp3 khi liên kết với 4 nguyên tử khác thì sẽ là tâm của tứ diện mà 4 nguyên tử kia là 4 đỉnh; khi liên kết với 3 nguyên tử khác thì sẽ là 1 đỉnh của chóp tam giác mà 3 nguyên tử kia là 3 đỉnh khác; khi liên kết với 2 nguyên tử khác thì sẽ là đỉnh của 1 góc mà 2 nguyên tử kia nằm trên 2 cạnh của góc. b) Nguyên tử (C, N, O) ở trạng thái lai hóa sp2 khi liên kết với 3 nguyên tử khác thì sẽ là tâm của 1 tam giác mà 3 nguyên tử kia là 3 đỉnh; khi liên kết với 2 nguyên tử khác thì sẽ là đỉnh của 1 góc mà 2 nguyên tử kia nằm trên 2 cạnh của góc.. c) Nguyên tử (C, N, O) ở trạng thái lai hóa sp khi liên kết với 2 nguyên tử khác thì sẽ ở giữa 2 nguyên tử kia trên một đường thẳng.

Cảm ơn các bạn đã dành thời gian đọc bài viết, nếu thấy bổ ích hãy cùng chia sẻ nhé