試用雜化軌道理論解析分子的構(gòu)型

【摘要】分子構(gòu)型決定物質(zhì)性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的性質(zhì)決定其用途。本文試圖用雜化軌道理論來解釋分子的構(gòu)型，從分子的結(jié)構(gòu)來推斷物質(zhì)的性質(zhì)，然后利用物質(zhì)的性質(zhì)為人類健康服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】雜化軌道 ?分子結(jié)構(gòu) ?性質(zhì)

世界上形形形色色的物質(zhì)都是由分子或原子構(gòu)成的，不同的物質(zhì)其性質(zhì)千差萬別。究其原因，物質(zhì)的性質(zhì)是由組成該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)決定，即該分子的構(gòu)型，具有相似分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)具有相類似的化學(xué)性質(zhì)。如存在于人或動(dòng)物腎上腺中的生物堿腎上腺素，是人體內(nèi)的一種激素。具有興奮心臟、收縮血管、升高血壓和松馳平滑肌等作用。

由于麻黃堿和腎上腺素都具有類似的結(jié)構(gòu)，麻黃堿和腎上腺素共同具有興奮心臟、收縮血管、升高血壓和松馳平滑肌等作用，但因麻黃堿苯環(huán)上無酚羥基，較為穩(wěn)定，口服有效，而腎上腺素苯環(huán)上有酚羥基，其性質(zhì)不夠穩(wěn)定，因此不能口服只能作為針劑使用。

通過對(duì)甲基苯丙胺（又名去氧麻黃堿或甲基安非他命）類化合物結(jié)構(gòu)與藥理作用之間研究發(fā)現(xiàn)，它們之間存在如下關(guān)系：

（1）凡是具有結(jié)構(gòu)的化合物，均有良好的興奮交感神經(jīng)作用。

（2）若側(cè)鏈上有α-羥基則興奮交感神經(jīng)的作用加強(qiáng)，而毒性降低。如麻黃堿。

（3）芳香伯胺較仲胺興奮交感神經(jīng)的作用強(qiáng)，而毒性低。如去甲基麻黃堿興奮交感神經(jīng)的作用強(qiáng)于麻黃堿。

（4）麻黃堿的側(cè)鏈上無α-羥基時(shí)，對(duì)中樞神經(jīng)的興奮作用增強(qiáng)。如去氧麻黃堿對(duì)中樞神經(jīng)的興奮作用強(qiáng)于麻黃堿。

通常情況下，ⅠA、ⅡA與ⅥA、ⅦA的元素組成物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)為離子鍵，但BeCl2卻為直線型的非極性分子，用雜化軌道理論可以得到圓滿的解釋：

在BeCl2分子中，Be原子基態(tài)電子排布為：1S22S22P0

Be原子激發(fā)躍遷態(tài)電子排布為：1S22S12P1

Be原子雜化態(tài)電子排布為：1S2（SP）2

Be原子2S軌道上的1個(gè)電子激發(fā)躍遷到了2P軌道上去后，Be原子的1根2S軌道與1根2P軌道再發(fā)生SP雜化，形成2根完全等同的SP雜化軌道，鍵角為1800，可以容納4個(gè)電子?，F(xiàn)在Be原子的SP雜化軌道上只有2個(gè)自旋方向相向的電子，還可以容納2個(gè)自旋方向相反的電子即為飽和，所以Be與Cl只能形成2根共價(jià)鍵，因而BeCl2為直線型的非極性分子。

同理可以用SP雜化軌道理論解釋CO2、C2H2、Zn（CH3）2等的空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

B原子基態(tài)電子排布為：1S22S22P1

B原子激發(fā)躍遷態(tài)電子排布為：1S22S12P2

B原子雜化態(tài)電子排布為：1S2（SP2）3

B原子2S軌道上的1個(gè)電子激發(fā)躍遷到2P軌道上后再發(fā)生SP2雜化，形成3根等價(jià)的SP2雜化軌道，鍵角為1200的平面正三角形，可以最多容納6個(gè)電子?，F(xiàn)在B原子最外層上的3個(gè)電子各占據(jù)1個(gè)軌道，還可以容納3個(gè)自旋方向相反的電子即達(dá)飽和。因此，B原子只能與3個(gè)F原子形成3對(duì)共用電子對(duì)，由于分子內(nèi)存在對(duì)稱軸，所以BF3為極性共價(jià)鍵的非極性平面正三角形分子。

同理可以解釋NO3、C2H4的分子結(jié)構(gòu)也屬于非極性分子。

C原子基態(tài)電子排布為：1S22S22P2

C原子激發(fā)躍遷態(tài)電子排布為：1S22S12P3

C原子雜化態(tài)電子排布為：1S2（SP3）4

C原子2S軌道上的1個(gè)電子激發(fā)躍遷到2P軌道上后再發(fā)生SP3雜化，形成4根等價(jià)的SP3雜化軌道，鍵角為109028′的正四面體結(jié)構(gòu)，可以最多容納8個(gè)電子?，F(xiàn)在C最外層上的4個(gè)電子各占據(jù)1個(gè)軌道填充后，還可以填充4個(gè)自旋方向相反的電子即達(dá)飽和。因此，CH4中C只能與4個(gè)H原子形成4對(duì)共用電子對(duì)，C位于正四面體的中心，4個(gè)H原子分別占據(jù)正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)。由于CH4為正四面體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此CH4為非極性分子。

同理可以推斷SO42-、Ni（CO）4等離子分子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為正四面體。

從上可以看出：原子軌道上的電子經(jīng)過激發(fā)后再發(fā)生雜化，形成的空間構(gòu)型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分子為非極性分子。

Sn原子基態(tài)最外層電子排布為：5S25P2

Sn原子最外電子層雜化態(tài)電子排布為：（SP2）4

Sn原子上的電子不經(jīng)過躍遷，1根S軌道和2根P軌道發(fā)生SP2雜化，形成3根等價(jià)不同型的SP2雜化軌道，可以容納6個(gè)電子。Sn原子最外層上有4個(gè)電子，獲得2個(gè)電子便飽和，因此，Sn原子只能同2個(gè)原子共用2對(duì)電子形成2個(gè)共價(jià)鍵，Sn原子有1孤電子對(duì)未參與成鍵，因而SnCl2的分子構(gòu)型為V型極性分子。

同理可以解釋PbCl2的分子構(gòu)型。

O原子基態(tài)電子排布為：1S22S22P4

O原子雜化態(tài)電子排布為：1S2（SP3）6

O原子不經(jīng)過電子的躍遷，1根S軌道和3根P軌道發(fā)生SP3雜化，形成4根等價(jià)的不同型SP3雜化軌道，可以容納8個(gè)電子。O原子最外層上有6個(gè)電子，獲得2個(gè)電子便飽和，因此，O原子只能共用2對(duì)電子形成2根共價(jià)鍵，O原子上有2孤電子對(duì)未參與成鍵，因而H2O的分子構(gòu)型為∧型，鍵角為104.50，偏離CH4109028′的正四面體結(jié)構(gòu)。

N原子基態(tài)電子排布為：1S22S22P3

N原子雜化態(tài)電子排布為：1S2（SP3）5

N原子上的電子不經(jīng)過躍遷，1根S軌道和3根P軌道發(fā)生SP3雜化，形成4根等價(jià)不同型的SP3雜化軌道，可以容納8個(gè)電子。但N原子最外層上有5個(gè)電子，獲得3個(gè)電子便可飽和，因此，N原子只能共用3對(duì)電子形成3個(gè)根共價(jià)鍵，N原子有1孤電子對(duì)未參與成鍵，因而NH3的分子構(gòu)型為三角錐體。由于受孤電子對(duì)的影響，使其鍵角為107.30。同理可以解釋PCl3的空間結(jié)構(gòu)與NH3的空間構(gòu)型一樣。

結(jié)論：原子中的電子不經(jīng)過激發(fā)躍遷而進(jìn)行的雜化為非等型雜化，其分子結(jié)構(gòu)為極性鍵的極性分子。盡管CH4、NH3、H2O分子中的C、N和O原子都發(fā)生了SP3雜化，但由于C原子上的電子是先激發(fā)躍遷再進(jìn)行的雜化，所以CH4為正四面體的非極性分子;而C和O原子上的電子都未經(jīng)躍遷直接進(jìn)行雜化，因而NH3、H2O是極性分子，且鍵角隨分子中孤電子對(duì)的增多斥力增大而導(dǎo)致鍵角減小，H2O、NH3、CH4分子的鍵角分別為104.50、107.30、109028′。

綜上所述，原子軌道上的電子經(jīng)過激發(fā)躍遷再進(jìn)行雜化所構(gòu)成的分子，空間構(gòu)型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其分子為非極性分子。如BeCl2、BF3、CH4等。原子軌道上的電子未經(jīng)躍遷直接進(jìn)行雜化構(gòu)成的分子，空間結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，其分子為極性分子。如SnCl2、H2O、NH3等。

應(yīng)用雜化軌道理論能很好的解釋共價(jià)鍵的飽和性、方向性以及分子的構(gòu)型。

分子結(jié)構(gòu)決定了該物質(zhì)的性質(zhì)，性質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以推斷其性質(zhì)和用途，特別是溶解性、酸堿性。如天然生物堿的提取與分離通常根據(jù)其酸堿性強(qiáng)弱和溶解性差異來設(shè)計(jì)提取分離流程。生物堿堿性大小的影響因素有氮原子的雜化方式、氮原子的電子效應(yīng)、空間效應(yīng)和分子內(nèi)氫鍵等因素。影響生物堿堿性的主要因素是氮原子的雜化方式，其次是空間效應(yīng)和共軛效應(yīng)，誘導(dǎo)效應(yīng)的影響較弱，但各效應(yīng)具有加和性。在各類藥品中含氮雜環(huán)藥品占比較大，結(jié)合酰胺、季胺、脂肪胺和芳香胺的堿性大小進(jìn)行比較，再聯(lián)系生物堿的溶解性、游離生物堿的脂溶性、與酸成鹽后的水溶性，可從游離生物堿到生物堿鹽的溶解性變化進(jìn)行分析，總結(jié)出生物堿及其鹽在不同極性溶劑中溶解性的一般規(guī)律，這樣就能設(shè)計(jì)出生物堿提取分離最簡(jiǎn)便合理的提取分離方案。

人們通過對(duì)苯丙胺類化合物結(jié)構(gòu)的分析研究，利用化學(xué)方法可以從天然藥物中提取制藥原料、進(jìn)行半合成縮短藥品的生產(chǎn)周期，降低藥品生產(chǎn)成本;通過對(duì)原有藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析研究探索藥品結(jié)構(gòu)與藥效之間的關(guān)系，合成毒副作用更小療效更好的新藥;開辟利用天然藥物和擴(kuò)大藥物資源尋找到毒副作用更小、更安全性更高的新藥造福人類。

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作者簡(jiǎn)介：宋成英（1964-），女，彝族，1985年畢業(yè)于寧夏大學(xué)化學(xué)系。2007年被評(píng)為學(xué)院學(xué)評(píng)為首屆學(xué)科帶頭人;2014年獲化學(xué)教授;2014被評(píng)為樂山市學(xué)術(shù)帶頭人和樂山市嘉州英才;2019年被選為樂山市專家?guī)鞂＜?。先后從事無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)、天然藥物化學(xué)等教學(xué)工作。