从插入和替换原子的视角推衍物质的分子结构

张嵋羽

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：1005–6629（2016）11–0085–05 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、碲原子、-O-O-、-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。

以乙烷分子为例（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O、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-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-形成吡咯，将苯分子中的“CH”替换成N得到吡啶（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σ键，每个N或P原子周围3个σ键，1个孤电子对。NH3分子中键角107°，N4分子中的键角应为60°，氮原子半径小，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σ键，每个N或P原子周围3个σ键，1个孤电子对。值得注意的是，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变为亚磺酸，两个羟基都换成烃基变为亚砜。硫酸结构式中的一个羟基换成烃基变为磺酸，两个羟基都换成烃基变为砜（见图10）。

3 由碳酸分子衍变出其他无机含氧酸

以碳酸结构式为母体，将碳原子换成氮原子得到虚拟态结构式，以虚拟态结构式为基础，根据HNO3比虚拟态少一个H、氮的化合价是+5、电子对的偏移，推出硝酸分子的结构式；根据HNO2比虚拟态少一个H和一个O、氮的化合价是+3、电子对的偏移，推出亚硝酸分子的结构式（见图11）。