立體化學 結構化學 量子化學之間的區別什麼

時間 2021-08-30 16:57:42

1樓:匿名使用者

立體化學

stereochemistry

從立體的角度出發研究分子的結構和反應行為的學科。研究物件是有機分子和無機分子。由於有機化合物分子中主要的價鍵——共價鍵——具有方向性特徵,立體化學在有機化學中佔有更重要的地位。

立體化學簡史

立體化學創立於19世紀初期。j.-b.

畢奧最早觀察到有機物的旋光現象(見旋光異構)。2023年l.巴斯德分離到兩種酒石酸結晶,一種半面晶向左,一種半面晶向右。

前者能使平面偏振光向左旋轉,後者則使之向右旋轉,角度相同。2023年j.h.

範托夫和 j.-a.勒貝爾分別提出關於碳原子的四面體學說,他們認為:

分子是個三維實體,碳的四個價鍵在空間是對稱的,分別指向一個正四面體的四個頂點,碳原子位於正四面體的中心。當碳原子與四個不同的原子或基團連線時,就產生一對異構體,它們互為實物和映象,這個碳原子稱為不對稱碳原子,這一對化合物互為旋光異構體。範托夫和勒貝爾的學說,是立體化學的基礎。

以後,e.費歇爾關於糖類化合物構型(見分子構型)的研究,o.哈塞爾和d.

h.r.巴頓關於分子構象和構象分析的理論,c.

k.英戈爾德關於親核取代反應中的立體化學的研究,均對立體化學的發展作出了重要貢獻。此外,a.

韋爾納關於配位化學的研究,使立體化學在無機化學的領域中得到發展。近年來出現的關於周環反應方向的伍德沃德-霍夫曼規則,使立體化學得到新的進展。

立體化學分類

立體化學主要分為靜態立體化學和動態立體化學兩部分。①靜態立體化學研究分子中各原子或原子團在空間位置的相互關係 ,也就是研究分子結構的立體形象——構型和構象,以及由於構型異構(包括幾何異構和旋光異構)和構象異構導致的分子之間的性質不同等問題。②動態立體化學研究構型異構體的製備及其在化學反應中的行為等問題。

前者主要以不對稱合成獲得某一旋光異構體為目的;後者除包括構象分析外,還對各個經典反應型別,如加成反應、取代反應中的立體化學現象進行研究。

量子化學

2023年以前,物理學的發展處於經典物理學階段,在力學方面有完整newton(牛頓)力學(運動三大定律和萬有引力定律)的學體系, 電、磁和光學方面有maxwell(麥克斯韋)的電磁場理論,熱現象方面有gibbs(吉布斯)熱力學,統計學方面有boltzmann的統計物理學,這些理論構成一個相當完善的體系,對常見的物理現象都能進行解釋。但在取得這些成就的同時,通過實驗又發現了一些新現象,如黑體輻射、光電效應、原子光譜和電子衍射等,都是經典物理學理論無法解釋的。隨著這些實驗結果的解釋,一門研究微觀粒子運動規律的新學科——量子力學就逐漸完善和建立起來。

2023年,planck為解釋黑體輻射現象,引入了能量量子化的概念,使與實驗非常吻合。planck能量量子化假設的提出,標誌著量子理論的誕生。隨後,人們逐漸把能量量子化的概念推廣到所有微觀體系。

2023年einstein提出了光子學說,圓滿的解釋了光電效應,將光的波性和粒性統一了起來,即光具有波粒二象性。

2023年,de broglie(德布羅意)受到光的波粒二象性啟發,提出實物微粒(靜止質量不為零的微觀粒子)也具有波性的假設,即實物微粒也具有波粒二象性,以後人們稱這種波為德布羅意波。2023年,和用單晶體電子衍射實驗,用多晶電子衍射實驗,證實了de broglie的假設。

在經典物理學中,既沒有具有粒性的波,也沒有具有波性的粒子。巨集觀世界中總結出的概念並不完全適用與微觀物體。要正確瞭解實物微粒的波粒二象性,必須擺脫和粒子的經典概念的束縛,用量子力學的概念去理解。

在1925到2023年間,測不準原理(由heisenberg,海森伯提出)和schrodinger(薛定諤)方程的提出,標誌著量子力學的誕生。

2023年海特勒和倫敦用量子力學基本原理討論氫分子結構問題,說明了兩個氫原子能夠結合成一個穩定的氫分子的原因,並且利用相當近似的計算方法,算出其結合能。由此,使人們認識到可以用量子力學原理討論分子結構問題,從而逐漸形成了量子化學這一分支學科。

量子化學的發展歷史可分兩個階段:第一個階段是2023年到20世紀50年代末,為建立時期。其主要標誌是三種化學鍵理論的建立和發展,分子間相互作用的量子化學研究。

在三種化學鍵理論中,價鍵理論是由鮑林在海特勒和倫敦的氫分子結構工作的基礎上發展而成,其圖象與經典原子價理論接近,為化學家所普遍接受。

分子軌道理論是在2023年由馬利肯等首先提出,2023年休克爾提出的簡單分子軌道理論,對早期處理共軛分子體系起重要作用。分子軌道理論計算較簡便,又得到光電子能譜實驗的支援,使它在化學鍵理論中占主導地位。

配位場理論由貝特等在2023年提出,最先用於討論過渡金屬離子在晶體場中的能級**,後來又與分子軌道理論結合,發展成為現代的配位場理論。

第二個階段是20世紀60年代以後。主要標誌是量子化學計算方法的研究,其中嚴格計算的從頭算方法、半經驗計算的全略微分重疊和間略微分重疊等方法的出現,擴大了量子化學的應用範圍,提高了計算精度。

1928-2023年,許萊拉斯計算氦原子,2023年詹姆斯和庫利奇計算氫分子,得到了接近實驗值的結果。70年代又對它們進行更精確的計算,得到了與實驗值幾乎完全相同的結果。計算量子化學的發展,使定量的計算擴大到原子數較多的分子,並加速了量子化學向其他學科的滲透。

量子化學的研究範圍包括穩定和不穩定分子的結構、效能,及其結構與效能之間的關係;分子與分子之間的相互作用;分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。

量子化學可分基礎研究和應用研究兩大類,基礎研究主要是尋求量子化學中的自身規律,建立量子化學的多體方法和計算方法等,多體方法包括化學鍵理論、密度矩陣理論和傳播子理論,以及多級微擾理論、群論和圖論在量子化學中的應用等。應用研究是利用量子化學方法處理化學問題,用量子化學的結果解釋化學現象。

量子化學的研究結果在其他化學分支學科的直接應用,導致了量子化學對這些學科的滲透,並建立了一些邊緣學科,主要有量子有機化學、量子無機化學、量子生物和藥物化學、表面吸附和催化中的量子理論、分子間相互作用的量子化學理論和分子反應動力學的量子理論等。

三種化學鍵理論建立較早,至今仍在不斷髮展、豐富和提高,它與結構化學和合成化學的發展緊密相聯、互相促進。合成化學的研究提供了新型化合物的型別,豐富了化學鍵理論的內容;同時,化學鍵理論也指導和預言一些可能的新化合物的合成;結構化學的測定則是理論和實驗聯絡的橋樑。

其它化學許多分支學科也已使用量子化學的概念、方法和結論。例如分子軌道的概念已得到普遍應用。絕對反應速率理論和分子軌道對稱守恆原理,都是量子化學應用到化學反應動力學所取得的成就。

今後,量子化學在其他化學分支學科的研究方面將發揮更大的作用,如催化與表面化學、原子簇化學、分子動態學、生物與藥物大分子化學等方面。

結構化學篇:

結構化學是在原子、分子水平上,研究物質原子、分子和晶體的微觀結構,研究原子和分子的運動規律,研究物質的結構和效能關係的科學。它涉及原子和分子層次的空間排布,涉及微觀粒子所遵循的量子力學規律,包括原子中電子的分佈和能級、分子的化學組成、分子的空間構型和構象、分子中電子的分佈、化學鍵的性質和分子的能量狀態、晶體中原子的空間排布、晶體的能量狀態等內容。

結構化學是一門直接應用多種近代實驗手段測定分子靜態、動態結構和靜態、動態效能的實驗科學。它要從各種已知化學物質的分子構型和運動特徵中,歸納出物質結構的規律性;還要從理論上說明為什麼原子會結合成為分子,為什麼原子按一定的量的關係結合成為數目眾多的、形形色色的分子,以及在分子中原子相互結合的各種作用力方式,和分子中原子相對位置的立體化學特徵;結構化學還要說明某種元素的原子或某種基團在不同的微觀化學環境中的價態、電子組態、配位特點等結構特徵。

另一方面,從結構化學的角度還能闡明物質的各種巨集觀化學效能,和各種巨集觀非化學效能與微觀結構之間的關係及其規律性。在這個基礎上就有可能不斷地運用已知的規律性,設法合成出具有更新穎、結構特點更不尋常的新物質,在化學鍵理論和實驗化學相結合的過程中創立新的結構化學理論。與此同時,還要不斷地努力建立新的闡明物質微觀結構的物理的和化學的實驗方法。

與其他的化學分支一樣,結構化學一般從巨集觀到微觀、從靜態到動態、從定性到定量按各種不同層次來認識客觀的化學物質。演繹和歸納仍是結構化學研究的基本思維方法。

早期的有關物質化學結構的知識可以說是來自對於物質的元素組成和化學性質的研究。當時人們對化學物質,只能從對物質組成的規律性認識,諸如定比定律、倍比定律等加以概括。隨著化學反應當量的測定,人們提出了「化合價」的概念並用以說明物質組成的規律。

那時,對於原子化合成分子的成因以及原子在分子中的排布方式可以說是一無所知。

結構化學的產生與有機物分子組成的研究密切相關。有機化學發展的初期,人們總結出許多系列有機物分子中碳原子呈四面體化合價的規律。為解釋有機物組成的多樣性,人們提出了碳鏈結構及碳鏈的鍵飽和性理論。

隨後的有機物同分異構現象、有機官能團結構和旋光異構現象等研究,也為早期的結構化學研究提供有力的實驗證據,促使化學家從立體構型的角度去理解物質的化學組成和化學性質,並從中總結出一些有關物質化學結構的規律性,為近代的結構化學的產生打下了基礎。

近代實驗物理方法的發展和應用,為結構化學提供了各種測定物質微觀結構的實驗方法;量子力學理論的建立和應用又為描述分子中電子和原子核運動狀態提供了理論基礎。有關原子結構特別是原子中電子殼層的結構以及內力、外力引起運動變化的理論,確立了原子間相互作用力的本質,也就從理論上闡明瞭化學鍵的本質,使人們對已提出的高子鍵、共價鍵和配位鍵加深了理解有關雜化軌道的概念,也為眾多化合物的空間構型作出了合理的闡明甚至**。

近代測定物質微觀結構的實驗物理方法的建立,對於結構化學的發展起了決定性的推動作用。x射線衍射方法和原理上相當類似的中子衍射、電子衍射等方法的發現與發展,大大地豐富了人們對物質分子中原子空間排布的認識,並提供了數以十萬種計的晶體和分子結構的可靠結構資料。此外,通過晶體衍射的研究,使人們能夠從分子和晶體結構的角度說明這些物質在晶態下的物理性質。

另一類測定結構的方法是譜學方法。譜學方法在提供關於分子能級和運動的資訊,尤其是更精細的和動態的結構資訊方面起著重要的作用。如分子振動光譜是鑑定物質分子的構成基團的迅速和有力的工具。

因而被稱為化學物質的「指紋」,與電子計算機高速資訊處理功能結合起來,人們已能通過計算機的檢索和識別很快地查明未知物樣品的分子結構。紅外喇曼光譜的理論處理,還能提供有關振動力常數等有關化學鍵特徵的一些資料。其他譜學法有:

核磁共振譜、順磁共振諾、電子能譜、質譜、穆斯堡爾譜學、可見—紫外光譜、旋光譜、圓二色性譜以及擴充套件 x射線吸收精細結構等。

物質的某些物理常數的測定,也能提供有關分子結構的某些整體資訊,如磁化率、折射率和介電常數的測定等。此外,高放大率、高解析度的電子顯微鏡還能提供有關物質表面的結構化學資訊,甚至已能提供某些分子的結構形象。

量子化學是近代結構化學的主要理論基礎。量子化學中的價鍵理論、分子軌道理論以及配位場理論等,不但能用來闡明物質分子構成和原子的空間排布等特徵,而且還用來闡明微觀結構和巨集觀效能之間的聯絡。由於量子化學計算方法的發展和逐步提高完善,加上高速電子計算機的應用,有關分子及其不同聚集狀態的量子化學方法已有可能用於特殊材料的「分子設計」和製備方法的探索,把結構化學理論推向新的高度。

當今結構化學主要研究新構型化合物的結構化學,尤其是原子簇結構化學和金屬有機化合物。這一類研究涉及「化學模擬生物固氮」等在理論研究上極其重要的課題,以及尋找新型高效的工業催化劑等與工農業生產息息相關的應用研究課題。

稀土元素的結構化學與中國豐富的稀土元素資源的綜合利用的關係非常密切。有關的研究對於中國稀土工業的發展具有重要的意義。

表面結構和表面化學反應的研究與工業生產上的非均相催化反應關係極為密切,有關的研究對於工業催化劑,尤其是合成氨等工業生產用的新型催化劑的研製具有理論指導的作用。

鐳射光譜學和鐳射化學的研究,對於快速動態結構和快速化學反應動態過程等研究方法的建立有著深遠的影響,並且可能導致新的結構化學研究手段的建立。鐳射作用下的化學反應過程更具有獨特之處。

結構化學的資訊工程的研究能充分利用電子計算機的高速、高效率,充分發揮結構化學資料庫的作用,對於新的半經驗理論和新的結構化學理論的提出將有重大的影響。有關方法的建立將對於「分子設計」的實現起著重要的作用。

目前,結構化學已成為一門不但與其他化學學科聯絡密切,而且與生物科學、地質科學、材料科學等各學科的研究相互關聯、相互配合、相互促進。由於許多與物質結構有關的化學資料庫的建立,結構化學也越來越被農學家和化工工程師所重視。

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