《醫(yī)用化學(xué)》 四、碳原子的sp3、sp2和sp雜化軌道

雜化軌道理論已在第四章　討論過了。本節(jié)僅對碳原子的雜化軌道作一簡單介紹。

甲烴分子中的碳原子是sp3雜化的，雜化后的四個sp3軌道構(gòu)成109°28′的夾角[圖10-1（a）]。在甲烷分子中，碳原子的四個sp3雜化軌道分別與四個氫原子1s軌道重疊形成鍵角為109°28′的正四面體分子[圖10-1（b）]。

(a) (b)

圖10-1　四個sp3雜化軌道和甲烷

成鍵情況

圖10-2　由sp3-s和sp3-sp3形成的碳?xì)鋙鍵和碳碳o(jì)鍵

烷烴分子中的碳?xì)滏I和碳碳鍵是碳原子的一個sp3雜化軌道與氫原子的1s軌道或另一個碳原子的一個sp3雜化軌道重疊而成（圖10-2）。這樣形成的碳?xì)鋯捂I和碳碳單鍵，其電子云具有圓柱狀的軸對稱，叫做σ鍵。由于它是軸對稱的，所以用單鍵相連的碳?xì)湓踊蛱继荚涌梢試@軸自由旋轉(zhuǎn)。

乙烯分子中的碳原子與甲烷的碳原子不同，它是sp2雜化的。也就是說，碳原子的三個p軌道中的兩個參與雜化，而另一個p軌道未參與雜化。雜化后生成了三個相同的sp2軌道。這三個軌道軸在同一個平面上，互成120°的角。另一個未參與雜化的p軌道的對稱軸垂直于這個平面。

在乙烯分子中，碳原子的三個sp2雜化軌道中的兩個同氫原子的1s軌道重疊形成碳?xì)洇益I。未參與雜化的兩個p軌道用側(cè)面互相重疊形成一個π鍵（圖10-3）。

圖10－3　sp雜化軌道及乙烯的o鍵和π鍵

所以，雙鍵是由一個σ鍵和一個π鍵組成的。

碳原子的2s軌道同一個2p軌道雜化，形成兩個相同的sp雜化軌道。它們對稱地分布在碳原子的兩側(cè)，二者之間的夾角為180°。乙炔分子中的鍵就是由sp雜化軌道形成的。碳原子的一個sp雜化軌道同氫原子的1s軌道形成碳?xì)洇益I，另一個sp雜化軌道與相鄰的碳原子的sp雜化軌道形成碳碳σ鍵，組成直線結(jié)構(gòu)的乙炔分子。沒有參與雜化的兩個p軌道與另一個碳的兩個p軌道相互平行，且“肩并肩”地重疊，形成兩個相互垂直的π鍵（圖10-4）。

圖10-4 sp雜化軌道及乙炔的o鍵和π鍵