浅析结构适应性原理在有机化学中的应用
9页1、从本学科出发,应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性,便于研究生提出新见解,特别是博士生必须有创新性的成果浅析结构适应性原理在有机化学中的应用大学或中学化学教材中阐述的某些有机化学现象无法用范德华力、偶极矩、介电常数等化学基本理论来加以解释,引人控制论的方法对这些有机化学现象进行研究后的结果表明:有机分子间的作用与有机分子间的结构适应性密切相关。关键词 溶解度 分子间作用 结构适应性 范德华力 偶极矩 反应速率大学或中学化学教材中阐述的某些有机物的沸点、溶解度以及反应速率、产物结构等化学实验现象,常常会出现范德华力、偶极矩、介电常数、溶解度参数、定位规律等化学基本理论无法解释的情况。这是因为分子间的作用比较复杂,人们有一个认识的过程。分子间的化学作用可以是阳离子与阴离子之间的耦合(形成离子键),也可以是未配对电子与未配对电子之间的耦合、阳离子与孤电子对之间的耦合、阳离子与未配对电子之间的耦合(形成共价键);分子间的物理作用亦常常依靠耦合,如范德华力中的取向力是极性分子的偶极与偶极之间的耦合,诱导力是一个极性分子的偶极和另一个分子的诱导偶极之间的耦合,色散力是
2、两个瞬时偶极之间的耦合,又如分子间的氢键是一个分子的带强正电荷的氢原子与另一个分子的带强负电荷的氟、氧、氮等原子之间的耦合。另外,一些较大分子之间的接触不一定是分子之间全面接触而很可能主要是分子之间部分原子或原子团相互接触,如果分子的集团结构(包括空间结构及电子性质)相互适应时就会发生强烈的耦合作用,这正是控制论的结构适应性原理在分子间作用中的应用1。这种分子间的非共价键的相互作用,正是21世纪化学四大难题要优先研究的课题2。金松寿等对控制论在化学中的应用进行了开创性的研究工作3,笔者在前人研究的基础上对结构适应性原理在有机化学中的应用也进行了深入研究46,解释了一些诸如范德华力、偶极矩、介电常数、溶解度参数、定位规律等化学基本理论无法解释的有机化学实验现象,现总结如下。1 沸点对于各种较简单的有机化合物的同系物,例如一元正卤烷的沸点随着碳原子数的增加而升高7。因为随着碳原子数的增加,相对分子质量增大即色散力增大,偶极矩亦增大,沸点理当升高。但是,在许多情况下,沸点高低还不能仅用范德华力和偶极矩的大小来定性预测,例如,末端烯烃的偶极矩比相应的具有相同相对分子质量的非末端烯烃的偶极矩都要
3、大8,但其沸点却都要低7;烯烃的反式异构体的偶极矩比顺式大8,但其沸点比顺式低7。从结构适应性来看,烯烃由于含有双键官能团,所有的分子都可看成是具有扁平结构的分子,每种分子中2个具有扁平基团的分子重叠与接触会增大2分子间的耦合作用,而重叠与接触机会常随着基团面积的增大而增加,由于非末端烯烃的分子面积相对较大,所以非末端烯烃的沸点就相对较高。烯烃的顺式异构体如顺2丁烯分子的两端分别存在着1个强正基团和1个强负基团,强正基团为双键一侧的2个甲基,即2个含有强正电荷的三氢基团,强负基团为键电子云,因一个顺2丁烯分子两端的强正(三氢)、强负(键)基团与另一个顺2丁烯分子两端的强负(键)、强正(三氢)基团结构适应,可以发生强烈的耦合作用,故沸点较高;而烯烃的反式异构体如反2丁烯分子中的双键两侧各有1个三氢基团,即分子中心为键电子云负基团而分子两端却为三氢正基团,实际上在1个分子内的两端分别形成2个较弱的正负基团,而1个分子的正负基团与另一个分子的正负基团之间的作用将不如分子内正基团与负基团之间的作用大,故反2丁烯分子间的作用相对较弱,沸点较低。溶解度根据Hildebrand理论,如果溶质的溶解度
4、参数和溶剂的溶解度参数相近,则表示溶质分子和溶剂分子的作用力较大,即溶解度参数相近相溶原则9。该原则不只对许多简单的化合物适用,对于许多高分子的溶剂选择也有用处,但不符合该原则的情况也是很多的。例如锦纶66(溶解度参数)不溶于与其溶解度参数相差较大的甲醇(溶解度参数),却可溶于苯酚(溶解度参数)10,11。从结构适应性来看,锦纶66分子中的多氢正基团可与苯酚分子中苯环和羟基氧形成的负基团发生强烈的耦合作用,在基团间产生远远大于范氏引力的相互作用,这种作用足以克服锦纶66与苯酚各自分子间的吸引力,故锦纶66可溶于苯酚之中。而锦纶66分子中的单负中心(羰基氧)几乎被氢原子所屏蔽,作用很弱,同样在甲醇分子中的负端(单负中心羟基氧)由于氧氢键的旋转,暴露方向时在改变,作用也很弱,加之锦纶66分子中的多氢基团将与甲醇分子中的甲基三氢基团发生排斥作用,结构不相适应,没有形成基团间的较强相互作用,即锦纶66和甲醇分子间的作用力不能克服锦纶66分子本身之间及甲醇分子本身之间的作用力,因此甲醇不能溶解锦纶66。反应速率按照介电常数理论12,如果产物分子的极性比反应物分子的极性大时,则溶剂的介电常数或偶极
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