纽曼投影式

在sp3杂化轨道那集里面 我们详细介绍了 甲烷分子的结构 我们来复习一下 它是正四面体 中心是一个碳 然后是一些氢原子 我像这样画 你可以想象 这个氢是朝屏幕外的 然后这有另一个在屏幕上的氢原子 上面有一个 还有一个是指向屏幕里面的 你可以将它想象成一个三脚架 三脚架顶部有一根杆 当然你也可以想象成别的 如果你把氢连起来 就会得到一个四个面的金字塔 每一面都是三角形 看起来就像这样 我努力画好 类似这样的金字塔 如果你能透视它的话 这是一面 另一面在这 然后背面在这儿 然后第四个面就是 透明的这个了 这个第四面呢实际上就是 我们透视过去的前面这个 就是这个前面 你可以想象成别的东西 这是甲烷的例子 现在拓展到一个略显复杂的分子 乙烷 一直以来我们都这样画它 我想这是乙烷最简单的表达了 就是一横 这是乙烷 这里表示碳 这里也有一个 每个碳与三个氢成键 我们这样画 三个氢分别与两个碳成键 我们现在知道了碳有sp3杂化轨道 成键时像是形成了 一个四面体一样 所以一个乙烷分子看起来更像这样 我把碳原子画出来 用橙色的笔圈出碳 如果碳是这个和那个 那么你可以想象这有一个碳原子 我用小圆把它圈起来 如果我们看的远一点 碳碳键看上去就会是这样 然后这有另一个碳原子 这就是那里的那个碳碳键 我们想让两个碳原子这样： 它们所有的键都在一个四面体中 那么你能想象这个键 像这样出来 这个键向着这里 然后末端是氢原子 绿圈代表氢原子 上面有个氢原子 然后… 圆圈就代表了氢原子 你可以想象这一个 它或许指向屏幕外一点 这个是那个氢原子 我用不同的颜色 对氢做一下标志 这样你就明白看见我在讲哪个了 这个氢原子呢 在下面 指向屏幕内 所以那个氢原子 在这里 那么你看这个碳原子 它的键成四面体形 或者你只看这一部分的话 这部分就是三脚架的底座 而这里就是突出的部分 然后这个碳也同理可得 这里这个氢原子 向下指 像这样 我就不换颜色了 太费时间了 这个氢原子在这里 像这样朝屏幕外 然后呢 有… 还有什么颜色没用过呢 黄色吧 这个氢原子 像这样伸出来 这是乙烷的一种可能的结构 想我这里的这种画法 你可以做一个模型 如果你有木棍和小球 小球代表实际的原子 这就叫球棍模型 这是乙烷的球棍模型 现在有一种更简单的画法 叫做“马蹄铁”式 实际是叫锯架式啦 我老说是“马蹄铁”式 锯架式！ 看上去是这样的 对于同样的乙烷的 锯架式 大家知道锯架长什么样子吗？ 呐 就是我要画的那样 是这样的 所以我可以用这里的画法 在这画它 这有两个碳 然后是氢、氢、氢 然后是…… 我更应该要这样画 这样才能看到肩并肩 然后原子才可以自由旋转 这样画的话 这有一个氢、两个氢、三个氢 那么这边也有氢、氢、氢 这就是锯架式 好啦 这两种方式 它们根本一样 锯架式呢 在某种程度上来说 更懒一点 你可以不用画圆圈了 还可以不用考虑太多 角度的大小 氢与碳成多少度 而且还把四边形表示出来了 但不论用哪个 如果你开始观察这分子 你就会发现 这个分子有无穷种 结构 而这全都源于 σ键的概念 我们在sp3杂化轨道的那集学过 σ键和π键 这是一个σ键 所以原子可以绕着键旋转 这些碳的任何一个 都可以绕着轴旋转 同时另一个保持不动 但如果这是碳碳双键 这是π键 它们就得一起旋转 所以乙烷可以像我画的这样 也可以 旋转到另外一头 这就是我的意思 我再画个球棍模型 这是前面的碳 这是后面的碳 我们与这边的做个对比 还是用这种顺序来画 那么它向下有一个氢 上面有一个氢原子 然后这里也有一个氢原子 前面这部分看起来完全一样 我现在要做的是 我要转动一下乙烷的另一头 注意了 因为我希望你们能发现两个的区别 不同的是下面这个蓝的氢 下面这个蓝的氢 我把它转到上面 所以这个蓝的… 我用蓝色表示 把这个蓝色的氢 转到最高 我只是转了一下 那么蓝的氢就到了最高 我旋转了它 所以现在蓝的在顶上了 现在呢 绿的就转到了这 所以现在这个绿色的就在这里 然后这个紫色的… 洋红色的氢原子 旋转了之后 就来到了这里 那么 这两种结构 有什么不同呢 而且它还可以有无数个这二者间的结构 但真正的差别在哪里 呐 这个的氢 你可以想象它 你从这个方向看进来的话 这个氢正好在这个氢后面 这个氢也正好在这个氢后面 这个氢还是正好在它 的后面 这叫重叠式 或者说重叠构象 重叠构象 而这边这个 谁也没排在谁后面 如果你跑到这个氢的后面 你会跑到这点 后面是没有氢原子的 如果你跑到这个氢原子的后面 就会跑到… 后面是根本看不到氢原子的 再说一遍 如果你从这个方向看进去 它们后面没有任何阻挡 所以我们叫这个 交错构象 为什么我们要看这个？ 好啦 我可以转动后面这个原子 这会起什么作用 有影响吗？ 首先 这个光是能变 就很有意思了 这个碳原子可以转动 同时前面那个不动 前面那个不和它一起转 不过更重要的是 它们的能量是不同的 你可以把它们理解成 压缩一个弹簧 而这个弹簧想要恢复到 某个状态 为了说得更形象 我会画出 纽曼式 所以我还是画这个东西 不过是它的纽曼式 就是把在一条线上的两个碳 表示出来 所以这里 你要先画出前面这个碳 它是这些键的交叉点 那么一个纽曼式… 我画出来 这是一个纽曼式 我用纽曼式来 讲交错构想 那么前面… 我们把这个碳放在前面 然后氢原子就像这样直直伸出来 另一个氢原子像这样 朝左上方 然后还有这个氢 往右上方 我用一样的颜色表示 所以三个碳氢键的交叉点 就是碳原子 然后后面那个碳… 我讲了 前面那个碳 是三个碳氢键的交叉点 那后面的碳 就用一个圈表示 所以这个圈代表后面这个碳 前面的碳就是那个点 这是看懂它的办法 不过如果我们这样画 后面这个碳连着的蓝的氢原子 就出来啦 呐 这是蓝的氢 这是绿的氢 然后是洋红色的氢 如果你从这个角度看 它们很明显就是交错了 就这样直直地看这个乙烷分子 如果大家这样看 前面这个碳与后面的碳明显重合了 不过这样你可以看到前面碳上的氢 和后面的氢是交错的 再说一遍 这是交错的 现在我们来画重叠构象的 纽曼式 一个纽曼式 前面的部分看起来是一样的 这有一个氢 这个氢 这还有一个氢 然后那个蓝色的 那个紫的氢 在下面 这是前面的部分 而后面呢 正好在后面 我来画一下后面这部分 前面这个碳是用这个点表示的 后面这个是这样表示的 而重叠式呢 如果氢原子正好在后面 那么重叠式应该画成这样 正好在后面 不过这看上去不清楚 所以一般来说 在画重叠式的时候 画重叠构象的纽曼式时 我们不直接让后面的碳 直接重合 我们把它往右画一点点 或者说推到旁边一点 这是后面那个氢原子 洋红色的在这里 实际上是正好在后面的 不过这样你才可以看到它在这 最后 蓝色的在这里 蓝色的氢在这里 这就是重叠构象的纽曼式 如你所见 是重叠的 后面的氢原子与前面的重叠了 如果要丝毫不差画出来 它们就会正好在后面了 现在 还有一件事 一个概念 我想介绍给你们的 那就是不同氢原子之间 键角的概念 如果你要问 什么是键角？ 蓝色的氢与紫色的氢之间的键角 是多少？ 现在 你要把它放到立体空间里来想 哇 还真是不知道 蓝色和粉色之间的键角 不过呢 在纽曼式里 如果你问 要转多少度它们才会重合 这个角度就叫 二面角 有些人会说 这两个氢间的DA是多少度 在这个例子里 是60° 在这里 这两个氢间的 二面角是0° 它是衡量交错程度 或者重叠程度的一个方法 最后 我要说的是 再一次 这有什么用嘛？ 呐 所有的这些氢原子周围 都有电子云 而这些键实质上就是电子云的作用 而电子云呢 是带负电的 所以它们想要尽量远离对方 它们现在是稳定的 因为它们形成了 稳定的结构 每个原子都有全满的价电子层 以及满的轨道 然后电子云会相互排斥 然后电子云会相互排斥 那么现在 在重叠构象里 这两个氢原子 我用… 它们之间的距离 比交错式里 两个氢的距离更近 交错式里 离这个氢原子最近的氢 是这两个氢 不过它们都比 重叠式的这个要远 所以总的来说 交错式更加稳定 它的势能更低 你可以想象 开始的时候 你有一个重叠式 这些氢都想 离彼此远点 所以这是一个被绑起来的构象 它有更高的势能 所以它想被松绑 成为一个交错式 因为这个构象 氢原子之间 离得最远