原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)和多米諾效應(yīng)

方瑞士

（蕪湖市第四人民醫(yī)院，安徽蕪湖 241002）

0.引言

化學(xué)理論落后于實踐，這是公認的事實。無機化學(xué)中的電子配對成鍵，這種假說違反了電子繞核運動規(guī)則；有機化學(xué)中的電子云重疊成鍵，這種假說違反了電子相斥原理。另外，碳原子在無機化學(xué)中以電子配對成鍵，在有機化學(xué)中，又說它是以電子云重疊成鍵，相互矛盾，不能自圓其說。所以，它們都不可能真正解決分子結(jié)構(gòu)問題。

原子波環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)套環(huán)成鍵既不違反電子繞核運動規(guī)則，也不違反電子相斥原理。所以，它能完美解釋各種分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)[1]。本文對化學(xué)元素核外電子的運動狀態(tài)及分子成鍵的機理進行深入探索，提出新的分子結(jié)構(gòu)成鍵理論，為化學(xué)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究拋磚引玉。

1.原子和分子的波環(huán)結(jié)構(gòu)

1.1 氫原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)

核磁共振的成功實現(xiàn)證明在化合物中的氫原子是一個小磁體，它的核外電子云是環(huán)形，而不是球形。或者說，在氫核的周圍是一個環(huán)形電子流。因為電子具有波的特性，所以，我們把這種環(huán)形電子流叫做電子波環(huán)，或簡稱為波環(huán)。氫的1s，2p，3d電子云只能在孤立的氫原子中存在。

1.2 多電子原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)

在多電子原子中，電子如何運動呢？同一能級的兩個電子在相互貼近且相互平行的兩個平面內(nèi)進行繞核運動時所產(chǎn)生的斥力最大，在相互垂直相交的兩個平面內(nèi)繞核運動所產(chǎn)生的斥力最小。所以，按照斥力最小原理，氦原子核外的兩個電子是在垂直相交的兩個平面內(nèi)進行繞核運動。當(dāng)有3，4，5，6，7，8個電子波環(huán)相交時，為保持各波環(huán)之間斥力相等，每兩個相鄰波環(huán)之間的夾角分別為60°，45°，36°，30°，25.7°，22.50°。

“路易斯結(jié)構(gòu)”的八偶律與原子直徑大小無關(guān)，與電子之間的角度有關(guān)，這里，已經(jīng)披露原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，換句話說，每兩個相鄰波環(huán)之間的角度不小于22.5°。如圖 1 中（a），（b），（c）所示。

圖1 硼，碳和氖原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)

1.3 氫分子的波環(huán)結(jié)構(gòu)

上面的分析表明，在多電子原子中，它們的電子云也是環(huán)形，而不是球形和啞鈴形，其電子也以波環(huán)的形式存在。關(guān)于共價鍵化合物的成鍵，首先，以氫原子為例，當(dāng)兩個氫原子結(jié)合成分子時，無數(shù)波環(huán)與無數(shù)波環(huán)之間發(fā)生交鎖形成一個穩(wěn)固的分子（即環(huán)套環(huán)）。相互交鎖后，波環(huán)的運動范圍受到限制，氫的電子云已不是球形。若一環(huán)不動，另一環(huán)只能繞該環(huán)運動。換言之，兩波環(huán)相交鎖，兩個半球殼之間的波環(huán)運動幾率密度增加。但是，它與電子云重疊成鍵在本質(zhì)上是不同的。

為了描述的方便，將無數(shù)環(huán)簡化為一環(huán)，用符號“-R-”或“R-”代表波環(huán)，“R”代表元素。用符號“×”代表波環(huán)交鎖（環(huán)套環(huán)），即共價鍵。用符號“R→”代表波環(huán)嵌入（離子鍵）。氫分子波環(huán)結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖2 氫分子的波環(huán)簡化式

1.4 碳，甲烷和甲醇的波環(huán)結(jié)構(gòu)式

下面，分析甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。甲烷由一個碳原子和四個氫原子交鎖而成，碳原子外層有4個電子，即4個電子波環(huán)。按照波環(huán)之間斥力均衡的原則，碳的4個波環(huán)將球殼分為8等份，相鄰波環(huán)之間的夾角為45°。因為是4個波環(huán)，所以，碳原子本身不能形成正四面體結(jié)構(gòu)，因為只有4個波環(huán)。

當(dāng)碳原子與4個氫原子相交鎖時，4個氫原子之間為了保持斥力相等，必須保持距離相等。另一方面，它們各自與碳核之間的距離也是相等的。換言之，4個氫原子波環(huán)與碳原子交鎖時，既要保持相互之間的距離相等，也要保持與碳核之間的距離相等。為滿足這些條件，它們與碳原子鎖定的位置只能是正四面體的4個頂點。

下面，寫出碳、甲烷和甲醇的波環(huán)結(jié)構(gòu)式，省去碳的符號C。如圖3（a），（b），（c）所示。

圖3 碳，甲烷和甲醇的波環(huán)結(jié)構(gòu)式

1.5 苯的波環(huán)結(jié)構(gòu)

關(guān)于苯分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用波環(huán)結(jié)構(gòu)式也能作出令人滿意的解釋。苯由6個碳原子和6個氫原子相交鎖而成。每個碳原子只有1個波環(huán)與氫相交鎖，剩下3個波環(huán)則碳碳相互交鎖成環(huán)。如圖4、圖5所示。

圖4 苯環(huán)斷成直鏈的波環(huán)結(jié)構(gòu)式

圖5 苯的波環(huán)分子式

苯環(huán)中，碳原子位于6邊形各邊的中央，并不位于6個角的頂點。碳碳之間各以3個波環(huán)相互交鎖，并不存在單鍵與雙鍵。而且，這3個波環(huán)的兩端都與相鄰碳原子相交鎖，所以，苯環(huán)是非常穩(wěn)定的，不易被斷開。

2.分析環(huán)化反應(yīng)分子重排鍵遷移等的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)

2.1 共扼二烯烴加成反應(yīng)的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)

在1，3-丁二烯與溴的波環(huán)反應(yīng)式中，可以看出，共扼二烯烴加成反應(yīng)的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)。

在（a）式中，只有一個雙鍵被斷開，形成3，4-二溴-1-丁烯?？梢钥吹剑ㄤ迮c碳4）交鎖→（碳3與碳4一側(cè)雙鍵）斷開→（溴與碳3）交鎖，是一種多米諾效應(yīng)現(xiàn)象。

在（b）式中，同側(cè)的兩個雙鍵都打開，形成1，4-二溴-2-丁烯?？梢钥吹剑ㄤ迮c碳1）交鎖→（碳1與碳2一側(cè)雙鍵）斷開→（碳2與碳3形成雙鍵）交鎖→（碳3與碳4一側(cè)雙鍵）斷開→（溴與碳4）交鎖，也是一種多米諾現(xiàn)象。

2.2 環(huán)化反應(yīng)遵循多米諾效應(yīng)

舉例如下：

[E，Z]-2，4-己二烯加熱時，變成順-3，4-二甲基環(huán)丁烯；光照時變成反-3，4-二甲基環(huán)丁烯。從上面的波環(huán)反應(yīng)式可以看到，在加熱時，[E，Z]-2，4-己二烯兩個雙鍵的同側(cè)各斷開一鍵，此外，還發(fā)現(xiàn)碳2與碳3上的氫向鄰位波環(huán)遷移，這是一般化學(xué)式無法顯示的。然后，碳1與碳4交鎖成環(huán)。碳2與碳3的波環(huán)交鎖成雙鍵，構(gòu)成順-3，4-二甲基環(huán)丁烯。

在光照時，[E，Z]-2，4-己二烯的兩個雙鍵是對側(cè)交叉式各斷開一鍵，即碳1的內(nèi)側(cè)鍵和碳4的外側(cè)鍵分別斷開，若碳1不動，碳4第一步順時針旋轉(zhuǎn)90°。使碳3和碳 4 之間的單鍵拉直，第二步，將碳4波環(huán)A-B的B 端與碳1交鎖成環(huán)。而碳2與碳3上的氫也同樣發(fā)生鄰位波環(huán)遷移，使碳2與碳3交鎖成雙鍵，構(gòu)成反-3，4-二甲基環(huán)環(huán)丁烯。

因為光波的頻率是固定的，它只能使兩個頻率相同的電子波環(huán)斷開。而在兩個雙鍵中，只有兩個雙鍵對側(cè)的電子波環(huán)的頻率和方向是一致的。所以，光照時是兩個雙鍵的對側(cè)各斷開一鍵。加熱則無頻率和方向差別，故是同側(cè)各斷開一鍵。所以，二者的生成物有正反之分。從第一到第四個碳原子，可以看到雙鍵斷開→交鎖→斷開→交鎖的多米諾現(xiàn)象。

2.3 [2+2]環(huán)化加成反應(yīng)遵循多米諾效應(yīng)

在[2+2] 環(huán)化加成反應(yīng)中，光照條件下兩分子面對面（對側(cè)雙鍵斷開）加成是允許的，而在加熱條件下是面對背（同側(cè)雙鍵斷開）加成，由于雙方脫勾的波環(huán)被隔開，并且波環(huán)的角度明顯錯位而不能加成。如（Z）-2-丁烯在光照條件下，兩分子面對面加成，生成1，2，3，4-四甲基環(huán)丁烷的兩種異構(gòu)體。雙鍵斷開→交鎖→斷開→交鎖，是一種多米諾效應(yīng)。

在加熱條件下，是同側(cè)（面對背）雙鍵斷開，脫勾波環(huán)被隔開，所以，不能交鎖成環(huán)。

2.4 [4+2]環(huán)化加成反應(yīng)也遵循多米諾效應(yīng)

如，在[4+2]環(huán)化加成反應(yīng)中，前者在加熱條件下是同側(cè)雙鍵斷開，與后者面對背環(huán)化加成是允許的。而在光照條件下，前者是對側(cè)雙鍵交叉式各斷開一鍵，與后者面對面環(huán)化加成時，由于脫勾波環(huán)明顯錯位，其中，一側(cè)脫勾的雙鍵被隔開而不能環(huán)化加成。如，1，3-丁二烯與乙烯在加熱條件下環(huán)化加成是允許的：

可以看到，6個碳原子之間，斷開→交鎖→斷開→交鎖，是一種多米諾效應(yīng)。

在光照條件下，1，3-丁二烯一側(cè)脫勾的波環(huán)被隔開，不能與乙烯面對面交鎖成環(huán)：

2.5 考普重排的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)

考普重排[3,3] σ 鍵遷移是假象：

當(dāng)C1和C1’鍵斷開后，C2和C2’上的H向鄰位波環(huán)遷移，繼而使C3和C3’上的H 也向鄰位波環(huán)遷移。隨后C3和C3’交鎖成鍵。而C2-C1及C2’-C1’交鎖成雙鍵。從C1到C3，從C1’到C3’各碳原子之間遵循斷開→交鎖→斷開→交鎖之規(guī)律。

2.6 克萊森重排的本質(zhì)也是多米諾效應(yīng)

克萊森重排σ鍵遷移是假象：

當(dāng)C1和O之間的σ鍵斷開后，C1斷開的波環(huán)另一端與C2相交鎖，使C2和C3之間的雙鍵斷開，而C3斷開波環(huán)的另一端又與C3’相交鎖，迫使C3’上的H向O遷移，形成OH鍵。不過，此時的OH和OC鍵已由交鎖轉(zhuǎn)化為嵌入。由此看來，克萊森重排中各有關(guān)碳原子之間也遵循斷開→交鎖→斷開→交鎖之多米諾效應(yīng)規(guī)律。

2.7 氫參加的[1，3] σ 鍵遷移是錯覺，它們的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)

2.8 氫參加的[1，5] σ 鍵遷移是錯覺，他們的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)

2.9 碳參加的[1，3]烷基 σ 鍵遷移是錯覺，它們的本質(zhì)是多米諾效應(yīng)

2.10 碳參加的[1，5] 烷基σ 鍵遷移是錯覺，它們的本質(zhì)也是多米諾效應(yīng)

3.總結(jié)與展望

原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)闡明了雙鍵和單鍵之間的演變過程，這一事實得出這樣的結(jié)論:含有雙鍵的化合物，如果雙鍵發(fā)生變化，這種變化一定遵循多米諾效應(yīng)規(guī)律。人們可以運用多米諾效應(yīng)規(guī)律去合成各種新的有機化合物。

長期以來，化學(xué)家們對于電環(huán)化反應(yīng)，環(huán)化反應(yīng)，環(huán)化加成反應(yīng)，分子重排及σ鍵遷移等這類有機化學(xué)反應(yīng)感到困惑，現(xiàn)有的化學(xué)理論，包括分子軌道對稱守恒理論并不能使上述各類化學(xué)反應(yīng)得到完全合理的解釋。原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)不但合理地解釋了甲烷和苯的立體結(jié)構(gòu)，而且，還十分完美地解釋了前面一系列難以解釋的有機化學(xué)反應(yīng)，它們的本質(zhì)都是多米諾效應(yīng)。這絕不是巧合，也不可能有這么多具有規(guī)律性和統(tǒng)一性的巧合，恰恰論證了原子波環(huán)結(jié)構(gòu)客觀存在的正確性?？茖W(xué)需要不斷地探索，原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的研究是初步的，還需要人們不斷地深入研究和探討。