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有机化合物 ~ 结构与命名 ~. 决定有机化合物的结构 碳原子 共价键 ( 路易斯结构式 Lewis structure formalism) 分子的几何图形 ( 键长与键角 ) 原子和分子的电子结构 (1st pass) σ 和 π 键. @ MIT. Feb. 5,2003 – 有机光电 – 讲稿 2. 改善分子整齊度 粒徑越大 , 缺陷密度越低 改善移動率. 有机场效晶体管. 电荷载子移动率决定于 半导体薄膜中分子的整齐度. 电流调节是经由位于有机半导 体和绝缘层之间的接口的电场 诱导电荷来达成.

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Presentation Transcript
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有机化合物

~ 结构与命名 ~

  • 决定有机化合物的结构
  • 碳原子
  • 共价键(路易斯结构式Lewis structure formalism)
  • 分子的几何图形 (键长与键角)
  • 原子和分子的电子结构 (1st pass)
  • σ 和 π 键

@ MIT

Feb. 5,2003 –有机光电 –讲稿2

slide2

改善分子整齊度

粒徑越大, 缺陷密度越低

改善移動率

有机场效晶体管

电荷载子移动率决定于

半导体薄膜中分子的整齐度

电流调节是经由位于有机半导

体和绝缘层之间的接口的电场

诱导电荷来达成

Dimitrakopoulos, et. al., IBM J. Res. and Devel. 45, 11 (2001).

slide4

微分子(MOLECULE)—源自molecula,意思是小分子量

(化学化合物的最小单位、且保留其特性者

同核分子

双原子分子

Cl2

H2

在小分子H2、Cl2、HCl内的电子分布。

在H2内核的距离是0.74?、HCl是

1.27 ?、Cl2是1.99 ?

异核分子

HCl

Adapted from Molecular Physics and Elements of Quantum Chemistry by H. Haken and H.C. Wolf

slide5

Potential Energy as a Function of Internuclear Distance, R

Adapted from Molecular Physics and Elements of Quantum Chemistry by H. Haken and H.C. Wolf

slide6

系统的大小

光合成程序

细菌的光合成反应中心是分子功能单位。概要图解表示光活性分子,埋藏在大型蛋白质单体内。而后者则是埋藏在细胞膜中。中心叶绿素双体吸收光是电荷分离以启动光合成的化学程序的第一步骤。此图是以Deisenhofer、Huber、和Michel(1988若诺贝尔奖)X-ray结构为基础,取材自「Die Zeit」报纸。

Adapted from Figure 1.3 caption of Molecular

Physics and Elements of Quantum Chemistry by

H. Haken and H.C. Wolf

slide7

看见分子的形状

以穿透式电子显微镜(TEM)

Hexadecachloro copper phathalocyanine分子的电子显微镜影像。此分子形成光辉的薄膜做为基质。此影像是以高分辨率500kV穿透式电子显微镜照像并用特殊影像处理方法处理。中心的铜原子和16个外围的氯原子可能是最清晰可辨的(此照片是由Kyoto大学N. Uyeda教授友情提供)。

Adapted from Figure 1.4 caption of Molecular

Physics and Elements of Quantum Chemistry by

H. Haken and H.C. Wolf

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看见分子的形状

以扫瞄穿隧式显微镜(STM)或

原子力显微镜(AFM)

STM scan of

ordered PTCDA monolayer on HOPG

在一个PTCDA分子最高填入分子轨域以电子密度计算分子轨域。

计算结果和详细了解分子内电子排列实验案例是相符的。

然而…….

分子和分子组合的电子动力程序尚未完全了解,目前是我们的研究主题之一。

slide9

看见分子的形状

以电子绕射

核半径分布方程式D是在叙述在分子PH(CH3)2和PH2CH3的原子核间的键长R的电子密度方程式,是以电子绕射绘图。分布方程式的最大值与标示的核距有关。[After Bartell, J.Chem.Physics. 32, 832 (1960)]

Quoted from Figure 2.1 of Molecular

Physics and Elements of Quantum

Chemistry by H. Haken and H.C. Wolf

slide10

看见分子的形状

以X-Ray绕射

一个Porphyrine分子的仿真电子密度图。氢原子看不到,因为相对于其它高电子密度的原子,如氮原子,氢原子无法以X-Ray绕射法侦测到。等高线代表电子密度。它们的间距代表每?2一个电子的密度差异,虚线则表示每?2一个电子的绝对密度。

Quoted from Figure 2.1 of Molecular

Physics and Elements of Quantum

Chemistry by H. Haken and H.C. Wolf

slide11

质谱

质谱图显示其内部结构。

Adapted from Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide12

四面体

methane

三角形

线形

Adaped from Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide13

图表表示多电子原子的不同轨域的能量差异。实际的能阶差距随原子不同而有所差异,但是当主量子数增加时,能阶倾向于彼此接近。图表表示多电子原子的不同轨域的能量差异。实际的能阶差距随原子不同而有所差异,但是当主量子数增加时,能阶倾向于彼此接近。

Quoted from Figure 2.6 in Organic

Chemistry by G.M. Loudon

slide14

原子轨域

典型有机化合物的组成原子如H、C、N、O、F、P、S、Cl,在s和p轨域具有最外层(原子价)电子。当分子是由s和p原子轨域组成就会形成σ和π键。

slide15

原子序周期表

From NASA website

In 0 A.D. 9 elements were known (C, S, Fe, Cu, Ag, Sn, Au, Hg, and Pb)

slide16

Antibonding

Molecular Orbital

Bonding

Molecular Orbital

Adapted from Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide17

混成轨域

在甲烷的键结

Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide18

混成轨域

在氨NH3的键结

Adapted from Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide19

乙烷的分子轨域键结

Adapted from Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide20

Alkenes, or olefins, are hydrocarbons that contain carbon-carbon double bonds.

Ethylene and propylene are the two simplest alkenes.

Structures of ethylene,

ethane, propylene, and

propane

A DOUBLE BOND

Adapted from Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide21

碳原子的Sp3混成轨域

(a)一般sp2混成轨域的形状与sp3混成轨域非常相似,电子密度分布于一大一小的叶形轨域,以一节点分离之。(b)碳原子的sp3空间分布

Quoted from Figure 4.3 of Organic

Chemistry by G.M. Loudon

slide22

乙烯键结分子轨域

乙烯的p-轨域

p-轨域重迭形成键结与反键结轨域。π键的形成是当2个电子填满键结的π分子轨域。

Quoted from Figure 4.5 of Organic Chemistry by G.M. Loudon

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键长

下列叙述是键长的一般性概论:

  • 两原子间的键长会随键数增加而变短。
  • 因此,碳-碳键的键长顺序是 C-C > C =C > C=C。
  • 键长会随键结原子越大而增加。当我们随周期表往下走,此效应会越来越明显。因此,一个C-H 的键长比C-F短,C-F的键长又比C-Cl短。由于键长是指两原子的中心点的距离,所以原子越大,键长越长是合理的。
  • 当我们比较周期表同一列元素,原子间键结模式(单键、双键、和三键)会随同一列的元素的阴电性增加,键长变短。因此,在H3C-F的C-F键长比H3C-CH3的C-C键短。此现象发生的原因是阴电性越高的原子对于键结电子的吸引力越大,所以会比低阴电性原子更把电子拉靠近自己。

引述自Organic Chemistry by G.M. Loudon

slide24

脂肪性碳水化合物的键结

双键

(烯类)

单键

(烷类)

Adapted from Organic Chemistry by G.M. Loudon