也谈叶绿素结构式的书写

在以前的无机化学教学中，并不涉及无机元素的生物学效应问题。所以对于像叶绿素这样比较重要的分子结构情况，大家也几乎没有怎么关注过。

但是，现在的中学教学中就出现了这个分子。并且其分子结构式还有多种不同的写法。这就给化学教学带来了一定的困难。

这当然是由于，一些教师对结构式还不能规范地书写，且对某些化学键的成键情况还不够清楚的缘故。

一、 几种常见的叶绿素a分子结构式

叶绿素a的分子式为C₅₅H₇₂MgN₄O₅，这已是大家公认的了。

学生往往会对这个分子式的写法不满意，为什么不把其中电负性最小的Mg写在分子式的最前面呢？

这可能是由于，这个分子的主要部分是一个杂环化合物，属于有机化合物的讨论范畴。要按有机物分子式的写法，顺次突出C与H元素、把其余元素写在后面，这才是最为重要的。

在网上可以看到一些叶绿素a的分子结构式。如下面的图一、图二、图三、图四。

即便是在不同版本的中级无机化学教材中，其书写的形式也多有不同。如下面的图五^[1]、图六^[2]。

综合上面的6个结构式，可以看出它们间的区别主要有两点。

一是，中心的镁要写为Mg原子还是Mg²⁺离子，也就是它是否还要带有电荷。

二是，Mg与周围N原子间的化学键有几个，它们应该如何来表示。

要解决这两个问题，当然离不开对其组分结构的分析。

二、脱镁叶绿素a的结构

叶绿素a是如何构成的，也就是如何被衍生出来的呢？不妨让其脱去其中的Mg²⁺离子。

在网上还真的可以找到“脱镁叶绿素A”，这种化学物质。其分子式为C₅₅H₇₄N₄O₅。其结构式如下图七。

将脱镁叶绿素A的分子式C₅₅H₇₄N₄O₅，与叶绿素a的分子式C₅₅H₇₂MgN₄O₅，两相比较。不难看出，两者间只是相差了两个H原子，与1个Mg原子。

也就是说，一个Mg原子取代了“脱镁叶绿素A”中的两个H原子后，就得到了叶绿素a。

至于脱镁叶绿素A中N原子的成键情况，与有机化学教材中杂环化合物——㗊（读作雷）环结构（图八）里4个N原子的成键情况，竟然是完全一样的 ^[3]。

这样，再强调一下㗊环类物质中的原子成键情况，及分子结构的几个特点。那就很有必要了。

第一，如上㗊环中所有C原子和N原子，全都采取的是sp²杂化，这些原子都处于同一个平面上。且形成了一个遍及这所有24个C原子和N原子的大π键。

第二，㗊环中的4个N原子是不同的。它们的位置两两相对。左上与右下的两个N原子没有参与双键形成，可以称为“氨基”。而右上与左下的两个N原子参与了双键的形成，可以称为“亚氨基”。

这两种N原子的成键情况是不同的。因为氨基上还有一个可以电离出去的H原子，可以使这个N原子带有负电荷。而亚氨基上没有可供电离的H原子，不会可能带有负电荷。

第三，该结构中已有4个五元环，只要中心再有一个能够与N成键的原子，就可以再构成4个更为稳定的六元环。

成更多的六元环，就是㗊环中心可以再结合一个原子的化学反应原动力。

所以，应该把叶绿素a的形成过程假想为这样的两步：

第一步，中性的脱镁叶绿素A分子C₅₅H₇₄N₄O₅，先脱去2个氨基N上的H⁺离子，成带有2个负电荷的C₅₅H₇₂N₄O₅^2-离子。

要知道的是，由于㗊环中有一个遍及整个平面的大π键。这2个负电荷，也不会固定在某一原子上，而是要归属于整个原子团。或者说，在其中的大π键上。

第二步，这个带有两个负电荷的脱镁叶绿素A离子C₅₅H₇₂N₄O₅^2-，再与一个Mg²⁺离子结合成电中性的叶绿素a C₅₅H₇₂MgN₄O₅。

这样，整个叶绿素a分子才会表现为电中性。

从叶绿素a分子不会带电的角度来看，图二与图五都是不规范的。因为它们把中心Mg²⁺离子的2个正电荷标记出来了，却没有写出C₅₅H₇₂N₄O₅²⁺离子的2个负电荷。会给人以，叶绿素a是个离子，而不是分子，这样的假象。

如果一定要标出Mg²⁺离子的2个正电荷，及C₅₅H₇₂N₄O₅²⁺离子的2个负电荷。那就只好从其生成过程来考虑了。也就是在㗊环中2个H⁺的脱除部位来作“标记”。如下图九。

（其中的负电荷是用红色短横来标记的）

把2个负电荷这样标记出来，整个叶绿素a分子才会显示为电中性。

三、脱镁叶绿素离子与镁离子间成键情况的表述

从形成离子化合物的角度来看，图九似乎已经就是叶绿素a的结构式了。因为在结构式中的离子键，只要标记出电荷就可以，是不能用短线来连接的。

这样看，在Mg²⁺离子与本应带有负号的氨基N原子间不能有短线。所以，图四也是错误的。

很明显地，叶绿素a不会是离子化合物。因为，基本属于离子晶体的Mg₃N₂，在水中是极不稳定的。换句话说，Mg与N间的离子键，不可能在有水、这样的自然环境下形成。

叶绿素a也不会是共价化合物，因为Mg原子不可能有那么高的化合价。

这样看，在叶绿素a中的4个N原子只能是各提供一个孤电子对，给Mg²⁺离子的经过杂化后的4个空轨道。来形成一个更为稳定的电中性配分子。其中的4个化学键均为配位键。

这4个完全一样的配位键，要如何在这个分子结构式中被反映与表示出来呢？

再用短线来表示这些配位键，那肯定是不行的。因为在结构式中，已经用短线来表示共价键了。配位键与一般的共价键间，应该有所区分。

这样看，图一、图四中用的就是与共价键一样的“短线”，都不合适。

用箭号“→”来表示这些配位键，是否可以呢？考虑到在价键结构式中，“→”常常用来表示，某原子单方面提供一对电子给另一原子，以便成使其成8电子稳定结构。由此，学生也容易产生出“金属Mg²⁺离子怎么需要那么多电子”，这样的疑问。

看来，在Mg与N间还是画虚线，最为合适。

用这个标准来看前面的6个图，只有图三中Mg与N的成键情况表现的比较好。

但是，图三中似乎又出现了，分子中的氨基N原子与亚氨基N原子，位置被调换了的问题。

看来，写出一个没有任何错误的叶绿素a结构式，还真的是很难。

如果是，既要表现出叶绿素a分子是一个电中性的配分子，还要表现出其中心是个Mg²⁺离子。可以考虑的书写方法，似乎应该是如下的图十。

在这部分知识的教学中，教师还应该给学生指出，叶绿素a属于一类特殊的配合物。即，它是一个相当稳定的螯合物。

原因在于，脱镁叶绿素a离子是一个有着4个N配原子的4齿配体。当它与Mg²⁺离子结合时，会构成4个六元螯环。这些螯环还受到4个五元环的支撑，及一个大π键的固定。

Mg²⁺离子很难从脱镁叶绿素a离子的这种控制下“挣脱”出来。因为这4个配键同时断裂的几率是极小的。

参考文献

[1] 唐宗薰. 中级无机化学. 高等教育出版社. 2003年

[2] 朱文祥等. 中级无机化学. 北京师范大学出版社. 1993年

[3] 吉林师范大学等校. 有机化学. 人民教育出版社. 1980年