試用雜化軌道理論解析分子的構型

【摘要】分子構型決定物質性質，性質反映結構，物質的性質決定其用途。本文試圖用雜化軌道理論來解釋分子的構型，從分子的結構來推斷物質的性質，然后利用物質的性質為人類健康服務。

【關鍵詞】雜化軌道 ?分子結構 ?性質

世界上形形形色色的物質都是由分子或原子構成的，不同的物質其性質千差萬別。究其原因，物質的性質是由組成該物質的分子結構決定，即該分子的構型，具有相似分子結構的物質具有相類似的化學性質。如存在于人或動物腎上腺中的生物堿腎上腺素，是人體內的一種激素。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構，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，但因麻黃堿苯環上無酚羥基，較為穩定，口服有效，而腎上腺素苯環上有酚羥基，其性質不夠穩定，因此不能口服只能作為針劑使用。

通過對甲基苯丙胺（又名去氧麻黃堿或甲基安非他命）類化合物結構與藥理作用之間研究發現，它們之間存在如下關系：

（1）凡是具有結構的化合物，均有良好的興奮交感神經作用。

（2）若側鏈上有α-羥基則興奮交感神經的作用加強，而毒性降低。如麻黃堿。

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

（4）麻黃堿的側鏈上無α-羥基時，對中樞神經的興奮作用增強。如去氧麻黃堿對中樞神經的興奮作用強于麻黃堿。

通常情況下，ⅠA、ⅡA與ⅥA、ⅦA的元素組成物質的分子結構為離子鍵，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原子基態電子排布為：1S22S22P0

Be原子激發躍遷態電子排布為：1S22S12P1

Be原子雜化態電子排布為：1S2（SP）2

Be原子2S軌道上的1個電子激發躍遷到了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個電子。現在Be原子的SP雜化軌道上只有2個自旋方向相向的電子，還可以容納2個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等的空間結構和性質

B原子基態電子排布為：1S22S22P1

B原子激發躍遷態電子排布為：1S22S12P2

B原子雜化態電子排布為：1S2（SP2）3

B原子2S軌道上的1個電子激發躍遷到2P軌道上后再發生SP2雜化，形成3根等價的SP2雜化軌道，鍵角為1200的平面正三角形，可以最多容納6個電子。現在B原子最外層上的3個電子各占據1個軌道，還可以容納3個自旋方向相反的電子即達飽和。因此，B原子只能與3個F原子形成3對共用電子對，由于分子內存在對稱軸，所以BF3為極性共價鍵的非極性平面正三角形分子。

同理可以解釋NO3、C2H4的分子結構也屬于非極性分子。

C原子基態電子排布為：1S22S22P2

C原子激發躍遷態電子排布為：1S22S12P3

C原子雜化態電子排布為：1S2（SP3）4

C原子2S軌道上的1個電子激發躍遷到2P軌道上后再發生SP3雜化，形成4根等價的SP3雜化軌道，鍵角為109028′的正四面體結構，可以最多容納8個電子。現在C最外層上的4個電子各占據1個軌道填充后，還可以填充4個自旋方向相反的電子即達飽和。因此，CH4中C只能與4個H原子形成4對共用電子對，C位于正四面體的中心，4個H原子分別占據正四面體的4個頂點。由于CH4為正四面體的對稱結構，因此CH4為非極性分子。

同理可以推斷SO42-、Ni（CO）4等離子分子結構的結構為正四面體。

從上可以看出：原子軌道上的電子經過激發后再發生雜化，形成的空間構型為對稱結構，分子為非極性分子。

Sn原子基態最外層電子排布為：5S25P2

Sn原子最外電子層雜化態電子排布為：（SP2）4

Sn原子上的電子不經過躍遷，1根S軌道和2根P軌道發生SP2雜化，形成3根等價不同型的SP2雜化軌道，可以容納6個電子。Sn原子最外層上有4個電子，獲得2個電子便飽和，因此，Sn原子只能同2個原子共用2對電子形成2個共價鍵，Sn原子有1孤電子對未參與成鍵，因而SnCl2的分子構型為V型極性分子。

同理可以解釋PbCl2的分子構型。

O原子基態電子排布為：1S22S22P4

O原子雜化態電子排布為：1S2（SP3）6

O原子不經過電子的躍遷，1根S軌道和3根P軌道發生SP3雜化，形成4根等價的不同型SP3雜化軌道，可以容納8個電子。O原子最外層上有6個電子，獲得2個電子便飽和，因此，O原子只能共用2對電子形成2根共價鍵，O原子上有2孤電子對未參與成鍵，因而H2O的分子構型為∧型，鍵角為104.50，偏離CH4109028′的正四面體結構。

N原子基態電子排布為：1S22S22P3

N原子雜化態電子排布為：1S2（SP3）5

N原子上的電子不經過躍遷，1根S軌道和3根P軌道發生SP3雜化，形成4根等價不同型的SP3雜化軌道，可以容納8個電子。但N原子最外層上有5個電子，獲得3個電子便可飽和，因此，N原子只能共用3對電子形成3個根共價鍵，N原子有1孤電子對未參與成鍵，因而NH3的分子構型為三角錐體。由于受孤電子對的影響，使其鍵角為107.30。同理可以解釋PCl3的空間結構與NH3的空間構型一樣。

結論：原子中的電子不經過激發躍遷而進行的雜化為非等型雜化，其分子結構為極性鍵的極性分子。盡管CH4、NH3、H2O分子中的C、N和O原子都發生了SP3雜化，但由于C原子上的電子是先激發躍遷再進行的雜化，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躍遷直接進行雜化，因而NH3、H2O是極性分子，且鍵角隨分子中孤電子對的增多斥力增大而導致鍵角減小，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過激發躍遷再進行雜化所構成的分子，空間構型為對稱結構，其分子為非極性分子。如BeCl2、BF3、CH4等。原子軌道上的電子未經躍遷直接進行雜化構成的分子，空間結構不對稱，其分子為極性分子。如SnCl2、H2O、NH3等。

應用雜化軌道理論能很好的解釋共價鍵的飽和性、方向性以及分子的構型。

分子結構決定了該物質的性質，性質反應物質的結構，根據物質的結構可以推斷其性質和用途，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其酸堿性強弱和溶解性差異來設計提取分離流程。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、空間效應和分子內氫鍵等因素。影響生物堿堿性的主要因素是氮原子的雜化方式，其次是空間效應和共軛效應，誘導效應的影響較弱，但各效應具有加和性。在各類藥品中含氮雜環藥品占比較大，結合酰胺、季胺、脂肪胺和芳香胺的堿性大小進行比較，再聯系生物堿的溶解性、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行分析，總結出生物堿及其鹽在不同極性溶劑中溶解性的一般規律，這樣就能設計出生物堿提取分離最簡便合理的提取分離方案。

人們通過對苯丙胺類化合物結構的分析研究，利用化學方法可以從天然藥物中提取制藥原料、進行半合成縮短藥品的生產周期，降低藥品生產成本;通過對原有藥物化學結構的分析研究探索藥品結構與藥效之間的關系，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。

參考資料：

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作者簡介：宋成英（1964-），女，彝族，1985年畢業于寧夏大學化學系。2007年被評為學院學評為首屆學科帶頭人;2014年獲化學教授;2014被評為樂山市學術帶頭人和樂山市嘉州英才;2019年被選為樂山市專家庫專家。先后從事無機化學、有機化學、分析化學、生物化學、天然藥物化學等教學工作。