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补订2019年《化学教育》办法
有机分子中原子共面规律的探讨
——兼谈1,3-丁二烯中所有原子不仅仅是可能共面
张新平
（湖北省武汉市新洲区第一中学 武汉新洲 430400）
E-mail：xpz918@qq.com
摘要：原子是否共面是分子结构或晶体结构的考查方式之一。尤其以有机物中原子是否共面的考查最为常见。有机物分子所含原子数都在4个或4个以上，尽管其种类繁多、同分异构现象纷杂，但其结构特征的规律性强。如原子的共面问题就是其中一类重要的有规律性的结构特征问题，其基本前提是把原子都视作质点、原子与原子之间的σ键或π键均视作直线，再依据数学原理探讨这些点、线的共面与否。
关键词：原子共面高考化学结构模型共轭效应
2019年全国高考理综卷III的第8题：下列化合物的分子中，所有原子可能共平面的是（）
A．甲苯B．乙烷C．丙炔D．1,3−丁二烯
一下子又把人们的高考视觉拉回到几年前的一个高考热点问题上——原子的共面问题。比较近的一次还是2015年全国高考理综卷I的第37题：②在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，每个C原子连接个六元环，六元环中最多有个C原子在同一平面。
如何解决好这类问题呢？本着从寻找更本质的东西出发，去探讨原子共面的基本规律，发现原子的共面是有规律可循的。
1 点线共面的数学公理
几何学上有一个公理[1]：过不在一条直线上的三点，有且只有一个平面。该公理刻画了平面特有的基本性质，它给出了确定一个平面的依据。另空间两条直线的三种位置关系中，两相交或平行直线共平面（即共面直线）。因此，有机物中各原子的共面依据就有两点：其一是不在同一直线上的三点（即原子）决定一个平面，故最少的共面原子数是3；其二是两条相交（或平行）直线（即σ键或π键）决定一个平面。
2 有机物中的4个基本结构模型
以甲烷为代表的四面体形（如图1）：
其中的碳原子以4个sp3杂化轨道分别与4个H原子结合成4个sp3-s的σ键（键角均为109°28′），乙烷（CH3-CH3）、丙烷（CH3-CH2-CH3）、丁烷（CH3-CH2-CH2-CH3）以及所有的直链或带支链的烷烃都是以C原子的四面体向sp3轨道与H或相邻C原子连接成σ键[2]（常简称为C-C σ键和C-H σ键）。该键的特征是σ键两端原子可以绕键旋转。即只要是含有sp3杂化碳原子的分子，一定没有所有原子共平面。
以乙烯为代表的平面形（如图2）：
其中C原子一是以3个sp2杂化轨道形成4个C-H σ键（即sp2-s的σ键）、1个C-C σ单键（即sp2-sp2σ键），另有2个C原子各余1个未杂化的2p轨道（与sp2杂化轨道平面垂直）相互“肩并肩”重叠而形成1个π键[2]。故乙烯分子中的C=C双键：1个是sp2-sp2的σ键；1个是pz-pz的π键。该分子中HCH键角接近于120°。还有1个平面分子——甲醛，分子中C原子以3个sp2杂化轨道形成3个σ键（2个C-H和1个C-O），且在同一平面，彼此间之键角约120°，C-O之间还有1个p-pπ键[3]。即乙烯型结构决定最少有6个原子共平面。
以乙炔为代表的直线形（如图3）：
其分子中各C原子有2个sp杂化轨道，并各结合成1个C-C σ键（sp-sp）和1个C-H的σ键（sp-s），每个C原子中未杂化的2个2p轨道对应重叠为2个π键（pz-pz和py-py）[2]。HCC键角均为180°。即乙炔型结构决定了最少有4个原子在同一条直线上。
以苯为代表的平面形（如图4）：
分子轨道理论[4]认为，苯分子中6个C原子的6个p轨道可以形成6个分子轨道，其中3个是成键轨道，3个是反键轨道，6个p电子放在3个成键轨道上，由此形成π66 离域大π键（或П66）。故每个C-C间的键长都相等，CCC或CCH键角均等于120°（这又可以说苯分子中的C原子是sp2杂化的，相当于苯分子中含有6个C-C σ键和6个C-H σ键）。即苯型结构决定了最少有12个原子共平面。
如：2011年海南高考化学第7题：下列化合物的分子中，所有原子都处于同一平面的有（）
A. 乙烷B. 甲苯C. 氟苯D. 四氯乙烯
3 4个基本结构模型的组合形式（示意图）
3.1 甲烷与另3者的组合
3.2 乙烯与另2者的组合
3.3 乙炔与苯的组合
4 关于多烯烃原子共面的探究
以下就2010年全国高考理综I卷第30题（5）小题要求（分子中的所有碳原子共平面，其催化氢化产物为正戊烷）：写出中B（组成C5H8）所有可能的结构简式，做些探讨。
首先从“催化氢化产物为正戊烷”，可知5个碳原子成直链烃。其次是B的不饱和度是2，则链烃B中就有两种异构类型——含两个碳碳双键或一个碳碳三键。
4.1 含一个碳碳三键的同分异构体中原子共面探究
含一个碳碳三键的直链烃B的异构体有：CH3CH2CH2C≡CH、CH3CH2C≡CCH3。杂化轨道理论认为，碳碳三键中的碳原子，通过sp杂化[5]，使碳碳三键的2个碳原子、以及分别与两碳原子直接相连另外2个原子处于同一条直线上（键角180°），即碳碳三键决定了至少有4个原子共一条直线（如图3所示），如a—C≡C—b中的aCCb等4原子共一条直线。因此，在1-丁炔
1、2、3、4、5原子处于两条相交直线，一定共面。6碳原子因碳碳单键（σ键）可以旋转，只是可能共面，故1-丁炔不符合题意。在2-丁炔
1、2、3、4碳原子与5碳原子处于两条相交直线，一定共面，为符合题意之B。
如果考察含支链的炔烃，则只有(CH3)2CHC≡CH（3－甲基－1－丁炔）一种，其中碳原子分布为：
不难看出，2、3、4、5碳原子与2、3、4、6碳原子所处平面不同，即5个碳原子不共面，其结构为：
4.2 含两个碳碳双键的同分异构体中原子共面探究
含2个碳碳双键的直链烃B的异构体（碳架式）有：C=C=C-C-C、C=C-C=C-C、C=C-C-C=C、C-C=C=C-C等4个。
1，2-戊二烯、2，3-戊二烯均属于累积二烯烃，其中C=C=C三个碳原子在一条直线上[5]，两边的碳为sp2杂化，中间的碳为sp杂化，两累积二烯烃的结构示意图如下（部分氢原子省略）：
从图12看到，1，2-戊二烯中3、4位碳原子间的σ键是可以旋转的，因此只能保证1—4位碳原子一定共面，5位碳原子只可能与前4个碳原子共面，故不符合题意。又如图13所示的2，3-戊二烯中1、5位两碳原子分别位于两个相互垂直的平面内，故也不符合题意。
1，4-戊二烯（CH2＝CH－CH2－CH＝CH2）属于孤立二烯烃，其中有1、2位碳原子所决定的平面与4、5位碳原子所决定的平面，因2、3位碳原子或3、4位碳原子间的σ键可以旋转，故不符合一定共面的题意。
1，3-戊二烯（CH3CH＝CH－CH＝CH2）属于共轭二烯烃，共轭二烯烃最典型的特征就是存在共轭效应，而共轭效应的产生是赖于共轭体系中各个σ键都在同一平面上，使参加共轭的p轨道能相互平行而发生重叠，形成分子轨道[5]。共轭二烯烃中的单双键交替分布，因其π键的p轨道在同一平面上相互重叠而成共轭体系，故称之为π-π共轭。
以1，3-丁二烯为例，该分子中的碳原子均以sp2杂化轨道互相重叠或与氢原子的1s轨道重叠，形成3个C-C σ键和6个C-H σ键。这些σ键都处于同一平面，即4个C和6个H共面，且键角都接近120°。此外，每个碳原子剩余的一个未杂化的p轨道，形成一个垂直于该平面的4碳原子、4电子的π-π共轭体系（或П44），π-π共轭体系的形成，使得碳碳键不能旋转。其π键、σ键的位置分布图如下（图14）：
由图14不难看出，1，3-丁二烯分子的两端，不论哪个H换上-CH3，或顺式、或反式，甲基碳与原4个C一定共面，故1，3-戊二烯为答案之一。
如果拓展到有支链的二烯烃，则在1，3-丁二烯分子中的2、3位碳原子上的H，不论谁被-CH3代替或都被-CH3代替，所有的碳原子一定共面（如2-甲基-1，3-丁二烯）。如果代替H的是-C2H5，则因含有碳碳单键（C-C σ键）可以旋转，-C2H5的端点C只是可能与其它碳原子共面。
又如：2011年全国高考理综I卷第30题（1）环戊二烯分子中最多有______个原子共平面。这是1个典型的环状共轭二烯烃，其结构（如图15）：
故最多共面原子数为9（5C和4H）。
π-π共轭体系还可以在单、双键交替延伸的过程中也继续延伸下去，因此，凡构成这一共轭体系中的碳原子及与该碳原子直接相连的H或C（或其它单原子）一定共面。如3-甲基-1，3，5-己三烯中7个C原子一定共面。
5 关于苯环与烯烃、苯环与苯环连接后原子共面的探究
5.1 苯乙烯中各原子是否一定共面
苯乙烯聚合得聚苯乙烯，1,3-丁二烯聚合可得顺丁橡胶，再如丁苯橡胶[6]制备反应为：
这些事实足以说明：苯环与乙烯基连接，苯环中的π66与乙烯基中的π键无再离域作用，因此，苯环与乙烯基连接的C-C单键（σ键）可以旋转，苯环和乙烯基可能共面或异面（如图9、10所示）。
5.2 苯环与苯环连接后各原子是否一定共面
联苯类：最简单的是二联苯，如
。
在二联苯中，每个苯环都保持了苯的结构特性[7]。连接两个苯环之间的单键可以自由旋转，联苯中的苯环可以共面，也可以是异面。这也是对苯乙烯中苯环中的π66与乙烯基中的π键是各自独立结构的又一佐证。
稠环芳烃类：最简单的是萘（C10H8），结构简式为
。
分子轨道理论认为[7]：萘分子中的C原子都以sp2杂化轨道形成σ键，各C原子上还剩余1个p轨道彼此平行重叠，因此不仅每个六元环都有一个完整的6电子体系，而且整个π电子体系可以贯穿到10个C原子的环系。故萘分子至少可以有18个原子共面。
其它如蒽（其常用经典式
）、菲（其常用极限式
）等，均为平面分子。
6 结论
（1）二烯烃或多烯烃的共轭体系（形式上的单、双键交替）中，单双键交替结合的C原子及与该C原子直接相连的H或C（或其它单原子）一定共面。如：
有9个原子共面，
有9个原子共面，
等至少有10个原子共面，
有13个原子共面等等。
（2）苯环是个独特的电子离域体系，与其它C=C双键或共轭体系以C-C单键相连时，苯环仍是一个独立的结构体系。因此，苯环与其它分子体系以C-C单键（σ键）结合时，该σ键可以自由旋转。
（3）稠环芳烃类一定共面。
（4）C=C双键与C=O双键间隔连接，不存在共轭。如[8]
参考文献
[1]王申怀.普通高中课程标准实验教科书.数学.必修2.A版.第3版，北京：人民教育出版社，2007：42-44
[2]华彤文陈景祖. 普通化学原理.第3版，北京：北京大学出版社，2005：283
[3]邢其毅等.基础有机化学（上册）.第3版，北京：高等教育出版社,2005：505
[4]华彤文陈景祖. 普通化学原理.第3版，北京：北京大学出版社，2005：291
[5]曾昭琼.有机化学（上册）.第4版，北京：高等教育出版社，2004：78-95
[6]邢其毅等.基础有机化学（上册）.第3版，北京：高等教育出版社,2005：361
[7]邢其毅等.基础有机化学（上册）.第3版，北京：高等教育出版社,2005：449-452
[8]邢其毅等.基础有机化学（上册）.第3版，北京：高等教育出版社,2005：335
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