有機化學共振論教學思考

楊芬+張永伍+劉品華

摘要：共振論是有機化學三大結構理論之一，對描述客觀存在的π電子離域的π-π共軛體系、P-π共軛體系結構很有用，更重要的是在表達電子離域的分子結構式書寫上有其獨到之處，但是學生在理解和應用共振論解釋結構和化學反應時，和雜化軌道理論和分子軌道理論區分不清，同時，學生對共軛分子結構極限式的書寫也是存在寫不全的問題。為了教會學生如何很好地掌握三大結構理論并能熟練應用，為此對共振論重點闡述的同時，也將其與雜化軌道理論和分子軌道理論進行對比學習。

關鍵詞：共振論；雜化軌道理論；分子軌道理論

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）23-0229-02

有機化學學習方法之一就是要抓住“結構決定性質”去學習各類化合物的化學性質。有機化學中有三大結構理論，即價鍵理論（雜化軌道理論）、分子軌道理論和共振論。這三種理論在解釋結構上都各有其優點，為了讓學生更好地將三種結構理論應用于化合物結構和化學性質的解釋，現就三種結構理論加以對比學習，另外對共振論作重點闡述。

一、價鍵理論

共價鍵分為雙原子共價鍵（由2個原子共用若干電子如C-C，C=C）和多原子共價鍵（由3個及3個以上原子共用若干電子如CH2=CH-CH=CH2）。因為有機化學中的C都是4價，C的外層電子排布是2S22P2，有3個可占用的原子軌道（1個2S軌道+2個P軌道），為了能夠很好的解釋有機化合物中C是4價這個問題，所以在價鍵理論基礎上引申出了雜化軌道理論，學習C的三種雜化方式SP3、SP2、SP時，重點是會畫每種雜化方式的C的4個軌道的樣子。通過雜化軌道理論能很好的解釋有機化合物中σ和π鍵的形成，也能解釋π-π共軛體系和P-π共軛體系（X、O、N）的結構，故雜化軌道理論在有機化學學習中貫穿始終[1-3]。

但是雜化軌道理論有其不完美的地方就是在書寫分子結構時，因其電子是定域的，所以書寫分子結構時（即經典價鍵結構式）它是一式對一物，如CH3-CH2-CH3表示的就是乙烷分子的真實結構，2個C-C的σ鍵都是定域的；CH3-CH=CH2就是表示丙烯分子的真實結構，σ鍵和π鍵上的電子都是定域的。但是對于1，3-丁二烯CH2=CH-CH=CH2這樣的共軛體系分子，價鍵理論的書寫無法表達出其真實的結構，即沒有表示出分子中單鍵非單鍵，雙鍵非雙鍵的結構特點——共軛體系分子有鍵長平均化現象。如在苯環結構的解釋上，價鍵理論解釋了其大π鍵的形成過程，但是在書寫苯結構式上還是無法表示出苯環這個共軛分子的真實結構。

書寫苯分子結構式時通常寫 或者 ，這兩個經典價鍵結構式表達不出其無單雙鍵之分和C-C鍵長都相等這個特點。

二、分子軌道理論

共價鍵可以用原子軌道的重疊形成的分子軌道來描述。而分子軌道相對原子軌道而言，就是分子中電子的運動狀態，其是將能量相近、對稱匹配的原子軌道先組合成等同數目的分子軌道，每個分子軌道同樣有其形狀和能量，同時將能量比原子軌道低的叫成鍵軌道，用ψ表示，能量比原子軌道高的叫反鍵軌道，用ψ*表示，每個成鍵軌道和反鍵軌道的電子云形狀是由所有原子軌道用不同位相加加減減形成的。分子軌道形成后，就將所有電子任意兩兩組合，從能量低的分子軌道開始填充，每個分子軌道也只能填充2個自旋相反的電子，一直到所有把電子填充完，則所有電子在有電子填充的分子軌道中運動，由于電子全部填充在比原來原子軌道能量低且更穩定的成鍵分子軌道中，因而能量得到釋放形成共價鍵。即在原子軌道中電子的運動狀態是單中心的，而分子軌道中電子的運動狀態是多中心的，每個電子受到分子中所有原子核的作用。分子軌道理論可解釋σ鍵的形成，可更多的是用于解釋π鍵的形成，在分子軌道理論中由于填充時價電子進行了重新分配，電子是離域的，所以分子軌道道理論又叫電子離域論。分子軌道理論解釋了共價鍵的形成，特別是在描述共軛體系分子時很有用，但該理論不涉及分子結構式的書寫。

三、共振論

（一）基本思想

共振論是在經典結構式的基礎上對π電子離域的共軛分子結構式的書寫提出其基本思想的，即π-π和P-π共軛體系分子只用一個電子定域的經典結構式來描述時是無法描述（書寫）其真實結構，那就用幾個π電子分布不同的經典結構式的疊加或雜化來描述。即用不真實存在的經典結構式（叫共振式或極限式）表達分子的真實結構（共振雜化體）。故共振論更多強調的是結構式上的書寫，而且是構造式的書寫，不涉及立體結構。

在理解共振論時，注意兩個概念：每一個經典價鍵結構式叫極限式或共振式，如下面例子中方括號中的式子，每個極限結構式是不存在的，它只存在于人們的想象中；而所有極限式的疊加或雜化叫共振雜化體，如下面例子中左邊的非經典結構，即真實結構。也要注意π電子離域的共軛體系分子真實結構是客觀存在的，每一個極限式都不代表這個真實分子結構，能量均高于真實分子，以免出現理解錯誤。

（二）共振結構式的書寫原則

因為共振論不能完全擺脫價鍵理論的固有局限性，因此書寫極限式時還是遵從經典式結構的書寫原則——構造式的核不動，未成鍵電子數不變。當然書寫極限式的技巧可以簡單歸納為：先寫一個熟悉的極限式，然后將離域所涉及的電子一般為P電子沿碳鏈或沿碳環走一圈，單鍵與雙鍵互變，就可把可能的極限式書寫出來。

書寫中注意表達式之間：

1.各極限式用雙箭頭連接起來，所有的共振式用方括號括起來[ ]；

2.用彎箭頭表示電子對的移動。

如：乙酸根的真實結構是2個極限式的共振雜化體：

碳酸根的真實結構是3個極限式的共振雜化體：

烯丙基碳正離子的真實結構是2個極限式的共振雜化體：

苯的真實結構是2個極限式的共振雜化體：

四、結論

雜化軌道理論在有機化學學習中起著十分重要的作用，對有機化合物σ和π鍵的形成都能很好的解釋，但是在書寫復雜共軛體系分子結構式時，經典結構式就遇到了困難；共振論因為是從經典結構理論引申出來的，因此與經典結構理論很相似，但是共振論的最大價值在于它能夠用較簡單的結構式表達復雜的離域分子。只是由于共振論是在經典結構的基礎上，不考慮電子的運動狀態和分子的立體結構的問題，加之書寫極限式個數隨意性很大，因此在應用上有一定的局限性。

參考文獻：

[1]古練權.有機化學[M].第一版.北京：高等教育出版社，2008：21-29.

[2]藍仲薇.有機化學[M].第二版.北京：海洋出版社，2008：103-106.

[3]張文勤.有機化學[M].第五版.北京：高等教育出版社，2007：127-131.

Teaching Reflection of Resonance Theory in Organic Chemistry

YANG Fen1，ZHANG Yong-wu2，LIU Pin-hua1

（College of Chemistry and Environmental Science，Qujing Normal University，Qujing，Yunnan 655011，China；2.Qujing No.1 Middle School，Qujing，Yunnan 655000，China）

Abstract：Resonance theory is one of the three structure theory of organic chemistry，it is useful to describe the electron delocalization of π-πand P-πconjugate system，it has its unique on the molecular structural formula writing of electron delocalization，but students are not distinguish in the interpretation and application of resonance theory of structures and chemical reaction，and the hybrid orbital theory and molecular orbital theory，as well as the conjugate molecular structure is also full of problems in writing.In order to teach the students how to well grasp three structure theory and proficient in application，therefore，the contrast study of resonance theory and hybrid orbital theory and molecular orbital theory was carried on.

Key words：resonance theory；hybrid orbital theory；molecular orbital theory