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《有機(jī)化學(xué)天堂秘笈》補(bǔ)充筆記04：共振（resonance）的結(jié)構(gòu)與混合體

xxxar | 2023-07-31 16:22:34 | 巴幣 2 | 人氣 1708

前幾篇先補(bǔ)充價(jià)電子為「作為產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)（形成化學(xué)鍵）代價(jià)的電子」的基礎(chǔ)觀念，再有形式電荷為「該原子實(shí)際情況的價(jià)電子數(shù)與它在元素週期表被公認(rèn)的價(jià)電子數(shù)之差額」的第二階觀念，接著導(dǎo)入第三階「正離子與負(fù)離子」的觀念。如同蓋房子一般，從基礎(chǔ)開始層層往上疊加。這些觀念屬於價(jià)鍵理論（Valance Bond Theory，VB Theory）的範(fàn)圍，其結(jié)構(gòu)式也採(cǎi)用路易斯結(jié)構(gòu)（Lewis Structures）的書寫方式。然而，採(cǎi)用路易斯結(jié)構(gòu)表示分子的結(jié)構(gòu)會(huì)衍生一個(gè)問題：「描述同樣一個(gè)分子，卻有結(jié)構(gòu)骨架相同但形式電子分布卻不同的多種結(jié)構(gòu)式?！轨妒恰队袡C(jī)化學(xué)天堂秘笈》上冊(cè)第2章開始介紹「共振（resonance）」這個(gè)路易斯結(jié)構(gòu)表示法的折衷之道。

先從字面來(lái)看，共振的英文resonance，其字首re為「重覆」而字根son為「發(fā)聲/說(shuō)」。那麼共振要重覆說(shuō)什麼呢？就是重覆說(shuō)一個(gè)分子的結(jié)構(gòu)式。那為什麼要重覆說(shuō)呢？如前所述，這是因?yàn)橛寐芬姿菇Y(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)分子結(jié)構(gòu)，會(huì)有結(jié)構(gòu)骨架相同，電子分布不同的問題，例如臭氧O3的路易斯結(jié)構(gòu)因?yàn)殡娮臃植嫉奈恢貌煌瑫?huì)有兩種不同的結(jié)構(gòu)式如下圖，這兩種都不能「各別單獨(dú)」正確表達(dá)臭氧的路易斯結(jié)構(gòu)：

針對(duì)上述問題，《有機(jī)化學(xué)天堂秘笈》上冊(cè)第2章的折衷之道，先說(shuō)了二大戒律「絕對(duì)不能打斷單鍵（單一共價(jià)鍵）、絕不能違反八隅體法則」，再告訴讀者畫出所有的共振結(jié)構(gòu)有「未（與其他原子）共用的電子對(duì)轉(zhuǎn)為π鍵（π發(fā)音為『派pi』，指雙鍵及叄鍵）、π鍵轉(zhuǎn)為未共同電子對(duì)、π鍵轉(zhuǎn)為另一根π鍵」的方式，甚至又提醒有「緊鄰π鍵的未共用電子對(duì)、緊臨正（形式）電荷的未共用電子對(duì)、緊臨正（形式）電荷的π鍵、π鍵其中一端原子為負(fù)離子（詳另篇巴文）、繞整個(gè)環(huán)的π鍵」就有可能又多出一種共振結(jié)構(gòu)，最後在2.8節(jié)表示「其實(shí)你畫那麼多共振結(jié)構(gòu)，只有他X的幾個(gè)比較重要，就是（形式）電荷越少越好、負(fù)的（形式）電荷連在負(fù)離子上的結(jié)構(gòu)越重要、啊原子環(huán)繞的電子數(shù)不能違反八隅體法則」惹毛讀者。

經(jīng)過上述作者把路易斯結(jié)構(gòu)式的折衷變成「折騰/折磨」等過程，他對(duì)於臭氧O3的結(jié)構(gòu)表示結(jié)果，竟然就只是用一個(gè)雙頭箭號(hào)放在這些「理論上最重要而其他不重要」的二個(gè)共振結(jié)構(gòu)之中，讓它們代表臭氧分子的路易斯結(jié)構(gòu)式，統(tǒng)稱這是「共振結(jié)構(gòu)」（resonance structures）如下圖：

上圖因?yàn)槭浅粞醴肿?，而且也沒畫一堆彎曲箭號(hào)讓讀者誤會(huì)電子會(huì)跑來(lái)跑去，甚至也沒有一個(gè)大括號(hào)包住全部的結(jié)構(gòu)，所以已經(jīng)算很簡(jiǎn)捷不複雜。但是這樣的書寫方式實(shí)用嗎？《有機(jī)化學(xué)天堂秘笈》的作者 David Kleim 沒再說(shuō)下去了。反而他另一本書《有機(jī)化學(xué)》第三版（Organic Chemistry 3rd edition）第79頁(yè)介紹一個(gè)更簡(jiǎn)捷的表示法「共振混合體（resonance hybrid）」如下：

作者寫這麼一堆，上圖只是傳達(dá)一件事：「因?yàn)楣舱窠Y(jié)構(gòu)太麻煩而且生出太不穩(wěn)定的累贅結(jié)構(gòu)，所以我們最後還是用共振混合體（resonance hybrid）來(lái)表示一個(gè)分子，而且這個(gè)表示方式很穩(wěn)定不會(huì)造成誤會(huì)。」

對(duì)於《有機(jī)化學(xué)天堂秘笈》事倍功半、冗長(zhǎng)甚至疏漏共振混合物的第2章內(nèi)容，免費(fèi)的有機(jī)化學(xué)繪圖軟體ChemSketch如何處理？很簡(jiǎn)單，就只是在Structure狀態(tài)下把整個(gè)分子圈選起來(lái)，點(diǎn)個(gè)「Dotted Delocalization Curve」就自動(dòng)生成一個(gè)共振混合體（resonance hybrid）如下圖。

雖然表示方式略有不同，仍可CHemSketch看出「離域化（delocalization，指正或負(fù)電荷不會(huì)只在單一原子，而是在兩邊原子的電子域轉(zhuǎn)檯，說(shuō)這樣原子之間的連結(jié)較穩(wěn)定）」的是正電荷還是負(fù)電荷。左圖是正形式電荷的hybrid，右圖是負(fù)形式電荷的hybrid。

雖然作者在《有機(jī)化學(xué)天堂秘笈》上冊(cè)第39頁(yè)強(qiáng)調(diào)「共振可說(shuō)是有機(jī)化學(xué)從頭到尾，無(wú)所不在的一個(gè)議題?！沟俏曳苏旧蟽?cè)，也只有第3章酸鹼反應(yīng)的羧酸有提到它，而且影響力還是第二不是第一。共振結(jié)構(gòu)不是真正的分子結(jié)構(gòu)，只是路易斯結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式不明確的折衷之道。共振結(jié)構(gòu)之間的骨架是相同的，只有鍵結(jié)與形式電荷不同。然而對(duì)於我這個(gè)初學(xué)者而言，卻容易與同分異構(gòu)物（同分子式，不同結(jié)構(gòu)式）混淆在一起。

因此在本文的最後，我先列出2溴丁烷的二個(gè)同分異構(gòu)物「鏡像異構(gòu)物」如下圖（分子式都是「C4H9Br」，但是結(jié)構(gòu)式卻不一樣），如同左手與右手對(duì)稱（又稱手性），有如鏡像一般。