从插入和替换原子的视角推衍物质的分子结构

从插入和替换原子的视角推衍物质的分子结构摘要:以烃分子、碳酸分子、某些无机分子为母体插入或替换氧族、氮族原子或原子团推衍出一系列化合物为视角,阐述了物质分子结构和相互联系,以期对学生认识分子结构和性质以及预测新物质有一定帮助。关键词:插入;替换;推衍;分子结构文章编号:1005?C6629(2016)11?COO85?CO5中图分类号:G633.8文献标识码:B化学物质种类繁多、零散,学生仅仅靠物质名称和化学式记住不同的物质是较困难的。分子中插入或替换原子、原子团从结构上使不同的物质发生了一定的关联,从某分子结构出发通过插入或替换原子、原子团就能将许多不同类物质串在一条线上或制成一张网,有利于学生理解分子结构和记忆不同类别的物质,有助于学生对物质的结构和性质有新的认识,也有助于预测、发现新物质。1烃分子中插入或替换原子、原子团1.1烃分子中插入氧族原子、原子团在烃分子中的碳碳单键和碳氢单键中插入氧原子[1]、硫原子、硒原子、硫原子、-0-0-、-S-S-、-Se-Se-、-Te-Te-等,得到新的化合物。需要说明的是,得到的某些过氧化合物、过硫化合物、过碲化合物以及通过替换原子得到的硫醛、硫酮、硒醛、硒酮等,有的亚稳定、不稳定,甚至很活泼,有的可能还未被合成出来,目前只是理论上的推测,是否真实存在还需实验的有力证明。以乙焼分子为例(见图1),在其分子中的C-H、C-C处分别插入O、-CO-、-COO-变为乙醇、甲醚、丙醛、丙酮、丙酸、乙酸甲酯,将含氧衍生物中的氧原子换成硫原子、硒原子、碲原子,又衍生出一系列有机化合物。在苯分子中的C-H处插入X(O、S、Se)变为苯酚、硫酚、硒酚(见图2)。在环丁二烯的C-C处插入0、S或将环戊二烯分子中的“CH2”换成O、S,可得到呋喃、噻吩(见图3)。1.2烃分子中插入或替换成氮原子、含氮原子团以乙烷分子为例,其分子中的一个氢原子被-N02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)。以乙焼分子为例,在分子中的C-C处插入-NH-形成二甲胺、插入-HN-NH-形成1,2-二甲基肼、插入-N=N-形成偶氮类化合物。在环丁二烯的C-C处插入-NH-形成毗咯,将苯分子中的“CH”替换成N得到毗啶(见图5)。将正四面体烷顶角的碳原子换成氮原子,可衍变出氮4(分子式为N4),若把氮原子换成磷原子得到白磷(P4)的分子结构(见图6)。C、N、P原子都是sp3杂化,每个C原子周围4个o键,每个N或P原子周围3个o键,1个孤电子对。NH3分子中键角键长短,键张力必然很大,所以N4分子根本不稳定,很难合成得到。四面体烷也是由于键角小与键张力太大,根本不稳定,现在能合成的也仅仅是几个取代衍生物而已,如四叔丁基正四面体烷、四(三甲基硅基)正四面体烷、四硝基正四面体烷等。若立方烷顶角的碳原子换成氮原子,衍变出八氮立方烷(分子式为N8)。把氮原子换成磷原子又衍变出八磷立方烷(暂时这样命名,分子式为P8)(见图7)。C、N、P原子都是sp3杂化,每个C原子周围4个o键,每个N或P原子周围3个o键,1个孤电子对。值得注意107N4分子中的键角应为60氮原子半径小,的是,目前N8只是理论推测、可能存在的假想单质,还未被合成。即便以后合成出N8,其物质也极不稳定,有强的活性。从结构看,分子内键角小、键长短、键张力太大,易断键,分子易破裂。或许未来因分子极不稳定有特殊作用。2由碳酸分子衍生出一系列有机化合物以碳酸分子的结构式为母体,氨基替代羟基得到尿素硫原子替代尿素分子中的氧原子得到硫脲;卤素原子替代羟基得到碳酰卤[2];硫原子替代碳酰卤分子中的氧原子可得到新物质(预测);烃基替代碳酸分子中的氢原子便得到碳酸酯(见图8)。以碳酸的结构式为母体,将分子中的一个羟基替换成烃基就衍变成羧酸,羧酸中的羟基换成氢原子就衍变成醛,醛基中的氢原子换成烃基衍变成酮,酮中的一个烃基换成氨基衍变成酰胺,氨基再换成氯原子衍变成了酰氯(见图9)。以碳酸结构式为母体,将碳原子换成硫原子得到亚硫酸的结构式,再以亚硫酸的结构式为模板,根据H2SO4比H2SO3多一个氧原子、H2SO4中S的化合价+6、电子对的偏移,可推出硫酸分子的结构式。亚硫酸结构式中的一个羟基换成烃基...

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