從插入和替換原子的視角推衍物質的分子結構

張嵋羽

摘要：以烴分子、碳酸分子、某些無機分子為母體插入或替換氧族、氮族原子或原子團推衍出一系列化合物為視角，闡述了物質分子結構和相互聯系，以期對學生認識分子結構和性質以及預測新物質有一定幫助。

關鍵詞：插入；替換；推衍；分子結構

文章編號：1005–6629（2016）11–0085–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學物質種類繁多、零散，學生僅僅靠物質名稱和化學式記住不同的物質是較困難的。分子中插入或替換原子、原子團從結構上使不同的物質發生了一定的關聯，從某分子結構出發通過插入或替換原子、原子團就能將許多不同類物質串在一條線上或制成一張網，有利于學生理解分子結構和記憶不同類別的物質，有助于學生對物質的結構和性質有新的認識，也有助于預測、發現新物質。

1 烴分子中插入或替換原子、原子團

1.1 烴分子中插入氧族原子、原子團

在烴分子中的碳碳單鍵和碳氫單鍵中插入氧原子[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。需要說明的是，得到的某些過氧化合物、過硫化合物、過碲化合物以及通過替換原子得到的硫醛、硫酮、硒醛、硒酮等，有的亞穩定、不穩定，甚至很活潑，有的可能還未被合成出來，目前只是理論上的推測，是否真實存在還需實驗的有力證明。

以乙烷分子為例（見圖1），在其分子中的C-H、C-C處分別插入O、-CO-、-COO-變為乙醇、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化合物。

在苯分子中的C-H處插入X（O、S、Se）變為苯酚、硫酚、硒酚（見圖2）。

在環丁二烯的C-C處插入O、S或將環戊二烯分子中的“CH2”換成O、S，可得到呋喃、噻吩（見圖3）。

1.2 烴分子中插入或替換成氮原子、含氮原子團

以乙烷分子為例，其分子中的一個氫原子被-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-形成偶氮類化合物。

在環丁二烯的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）的分子結構（見圖6）。C、N、P原子都是sp3雜化，每個C原子周圍4個σ鍵，每個N或P原子周圍3個σ鍵，1個孤電子對。NH3分子中鍵角107°，N4分子中的鍵角應為60°，氮原子半徑小，鍵長短，鍵張力必然很大，所以N4分子根本不穩定，很難合成得到。四面體烷也是由于鍵角小與鍵張力太大，根本不穩定，現在能合成的也僅僅是幾個取代衍生物而已，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（暫時這樣命名，分子式為P8）（見圖7）。C、N、P原子都是sp3雜化，每個C原子周圍4個σ鍵，每個N或P原子周圍3個σ鍵，1個孤電子對。值得注意的是，目前N8只是理論推測、可能存在的假想單質，還未被合成。即便以后合成出N8，其物質也極不穩定，有強的活性。從結構看，分子內鍵角小、鍵長短、鍵張力太大，易斷鍵，分子易破裂。或許未來因分子極不穩定有特殊作用。

2 由碳酸分子衍生出一系列有機化合物

以碳酸分子的結構式為母體，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（預測）；烴基替代碳酸分子中的氫原子便得到碳酸酯（見圖8）。

以碳酸的結構式為母體，將分子中的一個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（見圖9）。

以碳酸結構式為母體，將碳原子換成硫原子得到亞硫酸的結構式，再以亞硫酸的結構式為模板，根據H2SO4比H2SO3多一個氧原子、H2SO4中S的化合價+6、電子對的偏移，可推出硫酸分子的結構式。亞硫酸結構式中的一個羥基換成烴基變為亞磺酸，兩個羥基都換成烴基變為亞砜。硫酸結構式中的一個羥基換成烴基變為磺酸，兩個羥基都換成烴基變為砜（見圖10）。

3 由碳酸分子衍變出其他無機含氧酸

以碳酸結構式為母體，將碳原子換成氮原子得到虛擬態結構式，以虛擬態結構式為基礎，根據HNO3比虛擬態少一個H、氮的化合價是+5、電子對的偏移，推出硝酸分子的結構式；根據HNO2比虛擬態少一個H和一個O、氮的化合價是+3、電子對的偏移，推出亞硝酸分子的結構式（見圖11）。