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出版者:Univ Science Books

作者:Michael B. Sponsler

出品人:

页数:343 pages

译者:

出版时间:July 15, 2005

价格:$62.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781891389368

丛书系列:

图书标签:

• 物理有机化学
• 有机化学
• 解答手册
• 学生
• 化学
• 学习指南
• Modern Physical Organic Chemistry
• 有机反应
• 化学教材
• 高等教育

现代物理有机化学：原理与应用 本书简介 《现代物理有机化学：原理与应用》是一本全面、深入探讨现代物理有机化学核心概念、前沿进展及其在化学领域实际应用的基础教材与参考书。本书旨在为化学、材料科学、生物化学等相关专业的本科高年级学生和研究生提供坚实的理论基础，并为科研人员提供前沿的视角和实用的工具。 本著作摒弃了传统有机化学的叙事方式，而是着重于物理原理如何驱动和解释有机分子的结构、反应性和光谱性质。全书结构严谨，内容覆盖面广，深度适中，力求在概念的清晰阐述与复杂性的适度引入之间找到最佳平衡点。 --- 第一部分：量子化学基础与分子结构 本部分构建了理解有机化学现象的微观物理基础。 第一章：电子结构与薛定谔方程 本章首先回顾了经典物理化学中的基本概念，随后深入探讨量子力学的基本假设，并详细阐述了非相对论性的薛定谔方程在处理原子和分子体系中的应用。重点讨论了波函数的物理意义、算符、本征值和本征态。 第二章：分子轨道理论的基石 本章集中介绍分子轨道理论（MO理论）的数学框架。从原子轨道（AO）的线性组合（LCAO）方法出发，推导出构建分子轨道的原则。详细讨论了σ键、π键的形成机理，并用严格的数学工具阐释了键级、键能与轨道重叠积分之间的关系。特别强调了Hückel分子轨道（HMO）方法在处理共轭体系，如烯烃和芳香族化合物，中的精确性和局限性。 第三章：从原子到分子：计算化学的视角 本章引入了计算化学作为现代物理有机化学的必备工具。讨论了从头算（ab initio）方法，包括Hartree-Fock (HF) 理论的迭代过程，以及如何通过后HF方法（如微扰理论、耦合簇理论）来提高计算的精度。详细对比了密度泛函理论（DFT）的原理、泛函的选择对计算结果的影响，并展示了如何利用这些计算结果预测分子几何构象、能级和反应过渡态。 第四章：立体电子效应与构象分析 本章将物理原理直接应用于复杂的有机分子构象分析。深入探讨了范德华力、静电相互作用、扭转角（dihedral angle）对分子能量的贡献。重点剖析了超共轭效应（Hyperconjugation）的电子本质，并用轨道相互作用理论解释了环己烷构象、环张力以及手性分子的内在性质。 --- 第二部分：反应动力学与机理研究 本部分侧重于理解化学反应是如何发生的，以及影响反应速率和选择性的物理因素。 第五章：反应速率论与过渡态理论 本章从热力学转向动力学。详细阐述了反应活度、反应级数和速率常数的物理意义。核心内容集中在碰撞理论和更精确的过渡态理论（TST）。通过势能面（Potential Energy Surface, PES）的概念，引入了吉布斯自由能、焓和熵对反应活性的影响，并解释了阿伦尼乌斯方程的微观基础。 第六章：电子转移与单电子过程 本章专注于涉及自由基和单电子氧化还原反应的物理机理。介绍了 Marcus 理论及其对电子转移速率常数的预测能力，特别是“反常区”的现象。讨论了电化学方法（如循环伏安法）如何提供有关氧化还原电势和电子转移能垒的直接信息。 第七章：溶剂效应与分子间作用力 化学反应的发生环境至关重要。本章详细分析了溶剂如何通过介电常数、极化率和氢键作用影响反应速率和产物分布。引入了 Onsager 反应场模型和 Kirkwood-Bauer-Magat (KBM) 理论来量化溶剂极性对反应活性的影响。对比了非特定溶剂效应和特定溶剂化（如溶剂化壳层）的作用。 第八章：酸碱反应的物理化学本质 超越简单的质子转移概念，本章从量子化学角度审视酸碱性。分析了共轭酸碱对的 $ ext{p}K_a$ 值如何受分子内电子效应（如诱导效应、共振效应）和溶剂环境的影响。讨论了强酸体系中的非水溶剂效应，以及路易斯酸碱理论中的轨道匹配原则。 --- 第三部分：光谱学与分子识别 本部分探讨了如何利用分子与电磁辐射的相互作用来确定结构和研究动态过程。 第九章：分子振动与红外光谱 本章介绍分子振动的量子力学基础。推导了简谐振子和非简谐振子的能量级，解释了红外吸收的原理。重点分析了不同官能团的特征吸收频率，并利用密度泛函理论计算的振动频率与实验数据的关联，展示了计算光谱学的威力。 第十章：电子激发态与紫外-可见光谱 详细讲解了电子跃迁的选择定则，包括拉莫尔选律（Larmor selection rules）。对 $pi o pi^$ 和 $ ext{n} o pi^$ 跃迁进行了深入的定性与定量分析。介绍了激发态的寿命、荧光和磷光现象，以及激发态下的化学反应（如光化学异构化）。 第十一章：核磁共振的物理基础 本章深入探究核磁共振（NMR）背后的物理学。解释了核自旋、磁矩、拉莫尔进动频率。详细阐述了化学位移 ($delta$) 的来源，包括抗磁屏蔽、芳香环电流效应等。重点讲解了自旋-自旋耦合（$J$ 耦合）的机理，并分析了 $ ext{T}_1$ 和 $ ext{T}_2$ 弛豫时间在研究分子动态过程（如构象转换）中的应用。 第十二章：质谱学与碎片化机制 本章聚焦于分子碎裂的动力学过程。讲解了电子轰击（EI）诱导的电离和碎片化过程，强调了能量分布与碎片的稳定性之间的关系。介绍了软电离技术（如 $ ext{ESI}$, $ ext{MALDI}$）在分析大分子中的应用，并讨论了如何利用高分辨质谱数据推断分子式。 --- 第四部分：前沿专题与交叉学科应用 本部分将物理有机化学的前沿研究与生物、材料科学相结合。 第十三章：酶催化与生物有机反应 本章将物理有机化学原理应用于生物体系。分析了酶活性中心中关键残基的酸碱性调控，以及底物接近和定向的物理机制。详细讨论了量子隧穿效应在酶促氢转移反应中的重要性，以及计算化学如何模拟蛋白质-配体结合。 第十四章：有机半导体与材料中的电荷传输 本章探讨了有机功能材料的电子特性。从固体物理的角度引入了能带理论，解释了 HOMO/LUMO 轨道在有机发光二极管（OLEDs）和有机光伏电池（OPVs）中的作用。讨论了电荷载流子（极化子、激子）的形成、传输动力学和寿命，以及分子堆积（packing）对电荷迁移率的影响。 第十五章：反应路径的谱学探测 本章介绍利用时间分辨技术研究快速反应的物理方法。重点讲解了飞秒光谱学在捕获瞬态中间体和观察分子振动模式变化中的应用。讨论了如何通过监测不同时间尺度上的光谱变化来精确确定反应的势能面和活化能。 --- 全书特色 本书的特色在于对“为什么”的深入探究，而非仅仅停留在“是什么”。每一章节都通过严谨的数学推导和定量的分析，将宏观可观察的化学现象（如反应速率、光谱位移）归结为微观的电子结构和能量关系。书中包含了大量精心设计的例题与拓展练习，旨在帮助读者将理论知识应用于解决实际的化学难题。附录部分提供了重要的物理常数、量子力学算符表以及常用的计算化学软件简介。

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