原子的波环结构和多米诺效应

方瑞士

（芜湖市第四人民医院，安徽芜湖 241002）

0.引言

化学理论落后于实践，这是公认的事实。无机化学中的电子配对成键，这种假说违反了电子绕核运动规则；有机化学中的电子云重叠成键，这种假说违反了电子相斥原理。另外，碳原子在无机化学中以电子配对成键，在有机化学中，又说它是以电子云重叠成键，相互矛盾，不能自圆其说。所以，它们都不可能真正解决分子结构问题。

原子波环结构中的环套环成键既不违反电子绕核运动规则，也不违反电子相斥原理。所以，它能完美解释各种分子结构和化学反应[1]。本文对化学元素核外电子的运动状态及分子成键的机理进行深入探索，提出新的分子结构成键理论，为化学基础理论创新研究抛砖引玉。

1.原子和分子的波环结构

1.1 氢原子的波环结构

核磁共振的成功实现证明在化合物中的氢原子是一个小磁体，它的核外电子云是环形，而不是球形。或者说，在氢核的周围是一个环形电子流。因为电子具有波的特性，所以，我们把这种环形电子流叫做电子波环，或简称为波环。氢的1s，2p，3d电子云只能在孤立的氢原子中存在。

1.2 多电子原子的波环结构

在多电子原子中，电子如何运动呢？同一能级的两个电子在相互贴近且相互平行的两个平面内进行绕核运动时所产生的斥力最大，在相互垂直相交的两个平面内绕核运动所产生的斥力最小。所以，按照斥力最小原理，氦原子核外的两个电子是在垂直相交的两个平面内进行绕核运动。当有3，4，5，6，7，8个电子波环相交时，为保持各波环之间斥力相等，每两个相邻波环之间的夹角分别为60°，45°，36°，30°，25.7°，22.50°。

“路易斯结构”的八偶律与原子直径大小无关，与电子之间的角度有关，这里，已经披露原子波环结构的存在，换句话说，每两个相邻波环之间的角度不小于22.5°。如图 1 中（a），（b），（c）所示。

图1 硼，碳和氖原子的波环结构

1.3 氢分子的波环结构

上面的分析表明，在多电子原子中，它们的电子云也是环形，而不是球形和哑铃形，其电子也以波环的形式存在。关于共价键化合物的成键，首先，以氢原子为例，当两个氢原子结合成分子时，无数波环与无数波环之间发生交锁形成一个稳固的分子（即环套环）。相互交锁后，波环的运动范围受到限制，氢的电子云已不是球形。若一环不动，另一环只能绕该环运动。换言之，两波环相交锁，两个半球壳之间的波环运动几率密度增加。但是，它与电子云重叠成键在本质上是不同的。

为了描述的方便，将无数环简化为一环，用符号“-R-”或“R-”代表波环，“R”代表元素。用符号“×”代表波环交锁（环套环），即共价键。用符号“R→”代表波环嵌入（离子键）。氢分子波环结构式如图2所示。

图2 氢分子的波环简化式

1.4 碳，甲烷和甲醇的波环结构式

下面，分析甲烷的正四面体结构。甲烷由一个碳原子和四个氢原子交锁而成，碳原子外层有4个电子，即4个电子波环。按照波环之间斥力均衡的原则，碳的4个波环将球壳分为8等份，相邻波环之间的夹角为45°。因为是4个波环，所以，碳原子本身不能形成正四面体结构，因为只有4个波环。

当碳原子与4个氢原子相交锁时，4个氢原子之间为了保持斥力相等，必须保持距离相等。另一方面，它们各自与碳核之间的距离也是相等的。换言之，4个氢原子波环与碳原子交锁时，既要保持相互之间的距离相等，也要保持与碳核之间的距离相等。为满足这些条件，它们与碳原子锁定的位置只能是正四面体的4个顶点。

下面，写出碳、甲烷和甲醇的波环结构式，省去碳的符号C。如图3（a），（b），（c）所示。

图3 碳，甲烷和甲醇的波环结构式

1.5 苯的波环结构

关于苯分子稳定结构，用波环结构式也能作出令人满意的解释。苯由6个碳原子和6个氢原子相交锁而成。每个碳原子只有1个波环与氢相交锁，剩下3个波环则碳碳相互交锁成环。如图4、图5所示。

图4 苯环断成直链的波环结构式

图5 苯的波环分子式

苯环中，碳原子位于6边形各边的中央，并不位于6个角的顶点。碳碳之间各以3个波环相互交锁，并不存在单键与双键。而且，这3个波环的两端都与相邻碳原子相交锁，所以，苯环是非常稳定的，不易被断开。

2.分析环化反应分子重排键迁移等的本质是多米诺效应

2.1 共扼二烯烃加成反应的本质是多米诺效应

在1，3-丁二烯与溴的波环反应式中，可以看出，共扼二烯烃加成反应的本质是多米诺效应。

在（a）式中，只有一个双键被断开，形成3，4-二溴-1-丁烯。可以看到（溴与碳4）交锁→（碳3与碳4一侧双键）断开→（溴与碳3）交锁，是一种多米诺效应现象。

在（b）式中，同侧的两个双键都打开，形成1，4-二溴-2-丁烯。可以看到（溴与碳1）交锁→（碳1与碳2一侧双键）断开→（碳2与碳3形成双键）交锁→（碳3与碳4一侧双键）断开→（溴与碳4）交锁，也是一种多米诺现象。

2.2 环化反应遵循多米诺效应

举例如下：

[E，Z]-2，4-己二烯加热时，变成顺-3，4-二甲基环丁烯；光照时变成反-3，4-二甲基环丁烯。从上面的波环反应式可以看到，在加热时，[E，Z]-2，4-己二烯两个双键的同侧各断开一键，此外，还发现碳2与碳3上的氢向邻位波环迁移，这是一般化学式无法显示的。然后，碳1与碳4交锁成环。碳2与碳3的波环交锁成双键，构成顺-3，4-二甲基环丁烯。

在光照时，[E，Z]-2，4-己二烯的两个双键是对侧交叉式各断开一键，即碳1的内侧键和碳4的外侧键分别断开，若碳1不动，碳4第一步顺时针旋转90°。使碳3和碳 4 之间的单键拉直，第二步，将碳4波环A-B的B 端与碳1交锁成环。而碳2与碳3上的氢也同样发生邻位波环迁移，使碳2与碳3交锁成双键，构成反-3，4-二甲基环环丁烯。

因为光波的频率是固定的，它只能使两个频率相同的电子波环断开。而在两个双键中，只有两个双键对侧的电子波环的频率和方向是一致的。所以，光照时是两个双键的对侧各断开一键。加热则无频率和方向差别，故是同侧各断开一键。所以，二者的生成物有正反之分。从第一到第四个碳原子，可以看到双键断开→交锁→断开→交锁的多米诺现象。

2.3 [2+2]环化加成反应遵循多米诺效应

在[2+2] 环化加成反应中，光照条件下两分子面对面（对侧双键断开）加成是允许的，而在加热条件下是面对背（同侧双键断开）加成，由于双方脱勾的波环被隔开，并且波环的角度明显错位而不能加成。如（Z）-2-丁烯在光照条件下，两分子面对面加成，生成1，2，3，4-四甲基环丁烷的两种异构体。双键断开→交锁→断开→交锁，是一种多米诺效应。

在加热条件下，是同侧（面对背）双键断开，脱勾波环被隔开，所以，不能交锁成环。

2.4 [4+2]环化加成反应也遵循多米诺效应

如，在[4+2]环化加成反应中，前者在加热条件下是同侧双键断开，与后者面对背环化加成是允许的。而在光照条件下，前者是对侧双键交叉式各断开一键，与后者面对面环化加成时，由于脱勾波环明显错位，其中，一侧脱勾的双键被隔开而不能环化加成。如，1，3-丁二烯与乙烯在加热条件下环化加成是允许的：

可以看到，6个碳原子之间，断开→交锁→断开→交锁，是一种多米诺效应。

在光照条件下，1，3-丁二烯一侧脱勾的波环被隔开，不能与乙烯面对面交锁成环：

2.5 考普重排的本质是多米诺效应

考普重排[3,3] σ 键迁移是假象：

当C1和C1’键断开后，C2和C2’上的H向邻位波环迁移，继而使C3和C3’上的H 也向邻位波环迁移。随后C3和C3’交锁成键。而C2-C1及C2’-C1’交锁成双键。从C1到C3，从C1’到C3’各碳原子之间遵循断开→交锁→断开→交锁之规律。

2.6 克莱森重排的本质也是多米诺效应

克莱森重排σ键迁移是假象：

当C1和O之间的σ键断开后，C1断开的波环另一端与C2相交锁，使C2和C3之间的双键断开，而C3断开波环的另一端又与C3’相交锁，迫使C3’上的H向O迁移，形成OH键。不过，此时的OH和OC键已由交锁转化为嵌入。由此看来，克莱森重排中各有关碳原子之间也遵循断开→交锁→断开→交锁之多米诺效应规律。

2.7 氢参加的[1，3] σ 键迁移是错觉，它们的本质是多米诺效应

2.8 氢参加的[1，5] σ 键迁移是错觉，他们的本质是多米诺效应

2.9 碳参加的[1，3]烷基 σ 键迁移是错觉，它们的本质是多米诺效应

2.10 碳参加的[1，5] 烷基σ 键迁移是错觉，它们的本质也是多米诺效应

3.总结与展望

原子的波环结构阐明了双键和单键之间的演变过程，这一事实得出这样的结论:含有双键的化合物，如果双键发生变化，这种变化一定遵循多米诺效应规律。人们可以运用多米诺效应规律去合成各种新的有机化合物。

长期以来，化学家们对于电环化反应，环化反应，环化加成反应，分子重排及σ键迁移等这类有机化学反应感到困惑，现有的化学理论，包括分子轨道对称守恒理论并不能使上述各类化学反应得到完全合理的解释。原子的波环结构不但合理地解释了甲烷和苯的立体结构，而且，还十分完美地解释了前面一系列难以解释的有机化学反应，它们的本质都是多米诺效应。这绝不是巧合，也不可能有这么多具有规律性和统一性的巧合，恰恰论证了原子波环结构客观存在的正确性。科学需要不断地探索，原子波环结构的研究是初步的，还需要人们不断地深入研究和探讨。