碳原子最外层4个电子,激发后每个轨道上一个电子,发生SP2杂化后,还有一个P轨道没有参入杂化,该P轨道形成的离域派键。
一、苯环的成键特点
1. 苯环中C原子的sp2杂化情况 :
苯环中的任一个C原子,基态时的价层电子构型为2s22p2,杂化轨道理论认为,成键时C原子中的一个2s电子可以被激发到一个空的2p轨道上去,使基态的C原子转变为激发态的C原子(2s12p3 )。
同时,C原子的2s轨道与各填有一个电子的两个2p轨道发生sp2杂化,形成三个能量等同的sp2杂化轨道:
2. 苯环中C原子之间、C原子与H原子之间的成键情况 :
苯环上的每个C原子都以sp2杂化方式分别与2个C原子形成C—Cσ键、与1个H原子形成C—Hσ键。由于C原子是sp2杂化,所以键角是120°,并且6个C原子和6个H原子都在同一平面内(参见示意图1)。另外,苯环上6个碳原子各有1个未参加杂化的2p轨道,它们垂直于环的平面(参见示意图2),并从侧面相互重叠而形成一个闭合的π键,并且均匀地对称分布在环平面的上方和下方。通常把苯环的这种键型称为大π键。
二、苯环的立体结构
由于三个sp2杂化轨道都处在同一平面内,所以苯分子中的所有C原子和H原子必然都在同一平面内,每个碳碳键的键长相等,其数值介于C—C单键和C=C双键之间,键长都是0.140nm(C-H键的键长都是0.108nm),不存在单双键之分,六个C原子形成一个正六边形,所有键角均为120度。
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sp2杂化就是一个C的s轨道和两个p轨道形成三个杂化轨道。对于这三个杂化轨道,一个与H形成键,两个与环上的相邻C形成键(三个键都是西格玛键)。这时,每个C剩余一个没有参加杂化的p轨道,六个这样的p轨道形成离域大派键。