從插入和替換原子的視角推衍物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

張嵋羽

摘要：以烴分子、碳酸分子、某些無(wú)機(jī)分子為母體插入或替換氧族、氮族原子或原子團(tuán)推衍出一系列化合物為視角，闡述了物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系，以期對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及預(yù)測(cè)新物質(zhì)有一定幫助。

關(guān)鍵詞：插入；替換；推衍；分子結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）11–0085–05 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)物質(zhì)種類(lèi)繁多、零散，學(xué)生僅僅靠物質(zhì)名稱(chēng)和化學(xué)式記住不同的物質(zhì)是較困難的。分子中插入或替換原子、原子團(tuán)從結(jié)構(gòu)上使不同的物質(zhì)發(fā)生了一定的關(guān)聯(lián)，從某分子結(jié)構(gòu)出發(fā)通過(guò)插入或替換原子、原子團(tuán)就能將許多不同類(lèi)物質(zhì)串在一條線上或制成一張網(wǎng)，有利于學(xué)生理解分子結(jié)構(gòu)和記憶不同類(lèi)別的物質(zhì)，有助于學(xué)生對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有新的認(rèn)識(shí)，也有助于預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)。

1 烴分子中插入或替換原子、原子團(tuán)

1.1 烴分子中插入氧族原子、原子團(tuán)

在烴分子中的碳碳單鍵和碳?xì)鋯捂I中插入氧原子[1]、硫原子、硒原子、碲原子、-O-O-、-S-S-、-Se-Se-、-Te-Te-等，得到新的化合物。需要說(shuō)明的是，得到的某些過(guò)氧化合物、過(guò)硫化合物、過(guò)碲化合物以及通過(guò)替換原子得到的硫醛、硫酮、硒醛、硒酮等，有的亞穩(wěn)定、不穩(wěn)定，甚至很活潑，有的可能還未被合成出來(lái)，目前只是理論上的推測(cè)，是否真實(shí)存在還需實(shí)驗(yàn)的有力證明。

以乙烷分子為例（見(jiàn)圖1），在其分子中的C-H、C-C處分別插入O、-CO-、-COO-變?yōu)橐掖?、甲醚、丙醛、丙酮、丙酸、乙酸甲酯，將含氧衍生物中的氧原子換成硫原子、硒原子、碲原子，又衍生出一系列有機(jī)化合物。

在苯分子中的C-H處插入X（O、S、Se）變?yōu)楸椒?、硫酚、硒酚（?jiàn)圖2）。

在環(huán)丁二烯的C-C處插入O、S或?qū)h(huán)戊二烯分子中的“CH2”換成O、S，可得到呋喃、噻吩（見(jiàn)圖3）。

1.2 烴分子中插入或替換成氮原子、含氮原子團(tuán)

以乙烷分子為例，其分子中的一個(gè)氫原子被-NO2取代得到CH3CH2NO2（硝基乙烷）、被-NH2取代得到CH3CH2NH2（乙胺）、被-CN取代得到CH3CH2CN（丙腈）。

以乙烷分子為例，在分子中的C-C處插入-NH-形成二甲胺、插入-HN-NH-形成1，2-二甲基肼、插入-N=N-形成偶氮類(lèi)化合物。

在環(huán)丁二烯的C-C處插入-NH-形成吡咯，將苯分子中的“CH”替換成N得到吡啶（見(jiàn)圖5）。

將正四面體烷頂角的碳原子換成氮原子，可衍變出氮4（分子式為N4），若把氮原子換成磷原子得到白磷（P4）的分子結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）。C、N、P原子都是sp3雜化，每個(gè)C原子周?chē)?個(gè)σ鍵，每個(gè)N或P原子周?chē)?個(gè)σ鍵，1個(gè)孤電子對(duì)。NH3分子中鍵角107°，N4分子中的鍵角應(yīng)為60°，氮原子半徑小，鍵長(zhǎng)短，鍵張力必然很大，所以N4分子根本不穩(wěn)定，很難合成得到。四面體烷也是由于鍵角小與鍵張力太大，根本不穩(wěn)定，現(xiàn)在能合成的也僅僅是幾個(gè)取代衍生物而已，如四叔丁基正四面體烷、四（三甲基硅基）正四面體烷、四硝基正四面體烷等。

若立方烷頂角的碳原子換成氮原子，衍變出八氮立方烷（分子式為N8）。把氮原子換成磷原子又衍變出八磷立方烷（暫時(shí)這樣命名，分子式為P8）（見(jiàn)圖7）。C、N、P原子都是sp3雜化，每個(gè)C原子周?chē)?個(gè)σ鍵，每個(gè)N或P原子周?chē)?個(gè)σ鍵，1個(gè)孤電子對(duì)。值得注意的是，目前N8只是理論推測(cè)、可能存在的假想單質(zhì)，還未被合成。即便以后合成出N8，其物質(zhì)也極不穩(wěn)定，有強(qiáng)的活性。從結(jié)構(gòu)看，分子內(nèi)鍵角小、鍵長(zhǎng)短、鍵張力太大，易斷鍵，分子易破裂?；蛟S未來(lái)因分子極不穩(wěn)定有特殊作用。

2 由碳酸分子衍生出一系列有機(jī)化合物

以碳酸分子的結(jié)構(gòu)式為母體，氨基替代羥基得到尿素；硫原子替代尿素分子中的氧原子得到硫脲；鹵素原子替代羥基得到碳酰鹵[2]；硫原子替代碳酰鹵分子中的氧原子可得到新物質(zhì)（預(yù)測(cè)）；烴基替代碳酸分子中的氫原子便得到碳酸酯（見(jiàn)圖8）。

以碳酸的結(jié)構(gòu)式為母體，將分子中的一個(gè)羥基替換成烴基就衍變成羧酸，羧酸中的羥基換成氫原子就衍變成醛，醛基中的氫原子換成烴基衍變成酮，酮中的一個(gè)烴基換成氨基衍變成酰胺，氨基再換成氯原子衍變成了酰氯（見(jiàn)圖9）。

以碳酸結(jié)構(gòu)式為母體，將碳原子換成硫原子得到亞硫酸的結(jié)構(gòu)式，再以亞硫酸的結(jié)構(gòu)式為模板，根據(jù)H2SO4比H2SO3多一個(gè)氧原子、H2SO4中S的化合價(jià)+6、電子對(duì)的偏移，可推出硫酸分子的結(jié)構(gòu)式。亞硫酸結(jié)構(gòu)式中的一個(gè)羥基換成烴基變?yōu)閬喕撬?，兩個(gè)羥基都換成烴基變?yōu)閬嗧俊Ａ蛩峤Y(jié)構(gòu)式中的一個(gè)羥基換成烴基變?yōu)榛撬?，兩個(gè)羥基都換成烴基變?yōu)轫浚ㄒ?jiàn)圖10）。

3 由碳酸分子衍變出其他無(wú)機(jī)含氧酸

以碳酸結(jié)構(gòu)式為母體，將碳原子換成氮原子得到虛擬態(tài)結(jié)構(gòu)式，以虛擬態(tài)結(jié)構(gòu)式為基礎(chǔ)，根據(jù)HNO3比虛擬態(tài)少一個(gè)H、氮的化合價(jià)是+5、電子對(duì)的偏移，推出硝酸分子的結(jié)構(gòu)式；根據(jù)HNO2比虛擬態(tài)少一個(gè)H和一個(gè)O、氮的化合價(jià)是+3、電子對(duì)的偏移，推出亞硝酸分子的結(jié)構(gòu)式（見(jiàn)圖11）。