寫給高中生的超簡單圖解有機化學

分子式、結構式的寫法與解讀
化學式將元素符號寫成式子，以表示分子的組成。化學式有好幾種寫法，可達到各種目的。下表以乙烷、乙醇、環己烷等化合物為例。

要描述分子的基本結構，必需知道構成分子的元素種類與個數，分子式提供了這些資訊，亦即，分子式可以告訴我們化合物的基本資料。其中，分子各種組成元素的比例特別重要，而實驗式即是元素比例的表示法。例如，乙烷的分子式C2H6，代表一個乙烷分子是由兩個碳原子與六個氫原子所組成，碳和氫的比例是1:3，因此實驗式是CH3。乙醇、環己烷這兩個化合物的分子式與實驗式已列於表3.1，請參考。
另外，乙醇有一個稱為羥基（OH）的官能基。分子的官能基會影響性質，而將官能基寫出來的表示法，稱作示性式，舉例來說，乙醇有兩種示性式的寫法，可表示乙醇的碳氫骨架。若要完整表示分子的結構，則要使用結構式。結構式能夠表示分子的結構，以及各組成原子的鍵結方式。為了明確說明有機化合物的分子結構，有機化合物通常都表示成結構式，但是如果分子過大，結構式會變得很複雜。因此，有些結構式會省略碳原子的C與氫原子的H，僅以線段表示碳原子和碳原子的鍵結，表3.1的結構式（ㄆ）即是此形式加上官能基的表示法。複雜的分子會同時使用結構式和示性式等，來表示分子結構。

E, Z命名法
雙鍵所形成的幾何異構物（立體異構物），可分為順式（Cis）和反式（Trans）兩種（參照第74 頁）。然而，如圖3.1，雙鍵旁的位置都鍵結不同的原子或原子團，即無法單純歸類為順式和反式。請看圖3.1右部的化合物，對甲基（H3C）來說，Br（溴原子）是反式，而Cl（氯原子）是順式。用這種表示法，必須指定一個原子或原子團，使人特別注意，再定義它的立體結構。擁有許多雙鍵的化合物立體結構表示法相當複雜，因此IUPAC（國際純粹暨應用化學聯合會）制定「E, Z命名法」，以較簡單的形式為幾何異構物命名。目前一般人仍習慣使用順式與反式等名稱，正式名稱則使用E, Z命名法，然而E, Z命名法是什麼呢？請看圖3.1，我們先將雙鍵的兩側表示成X和Y，以突顯結構的差異，接著為X、Y內的原子與原子團依大小排序。如果原子序較大的原子與原子團在雙鍵的同一側，便命名為Z；在雙鍵的不同側，則命名為E。

決定原子與原子團順序的步驟（序列法則）
依照下列的步驟（1）和（2），即可決定原子與原子團的順序。先看步驟（1）能不能決定順序，若無法決定順序，再利用步驟（2）來決定。
（1） 原子序較大的原子，排在前面。
（2） 若兩個原子的原子序相同，請比較與兩者鍵結的原子，原子
序較大者，排在前面。
參照上述規則，即可排出適當的順序。

根據上述規則，比較圖3.1碳原子C與氫原子H的原子序（C的順序為1，H的順序為2），可得到Cl的順序為2，Br的順序為1。若順序較前面的C和Br位於同一側（如圖3.1左部的化合物）即命名為Z，若位於不同側（如圖3.1右部的化合物）則命名為E。此外，以圖3.2為例，X可以用步驟（1）決定順序；但Y的兩邊都是C，無法馬上看出順序，需使用步驟（2）來判斷，其中一邊的C、兩個H與一個Cl鍵結，另一邊的C、兩個H與一個Br鍵結，必須比較Cl和Br的原子序，以決定順序。因此，如圖3.2 所示，這個化合物的立體結構為Z配置。

立體異構物的各種表現方式
甲烷的結構式如圖3.3 的（ㄅ），然而甲烷分子實際的結構其實是圖3.4的正四面體結構，為了呈現這樣的立體結構，一般用圖3.3的（ㄆ）來表示，稱為楔形表示法，請看圖3.5的詳細說明。這種表示法常用於說明有機化合物的反應機制。

R, S命名法
擁有不對稱碳原子的化合物，與它的鏡像化合物互為異構物，亦即互為鏡像異構物，但這兩個立體結構的旋光度是＋或－（旋光是指「使光的偏振面旋轉」的性質，使偏振面往右旋轉記為「＋」，往左記為「－」），並無固定規律，而是受各鏡像異構物的物理性質影響。與偏振面方向一致的光（偏振光）通過鏡像異構物的分子，會往特定方向旋轉，而旋光度即是旋轉的角度。
若偏振光往右旋轉，則稱此分子具有右旋性，以＋表示角度；若偏振光往左旋轉，則稱此分子具有左旋性，以－表示角度。由於鏡像異構物的兩種分子有不同的旋光性質，故亦稱作光學異構物。但是互為光學異構物的分子，立體結構不一定互為鏡像，也就是說，鏡像異構物只是光學異構物的一種。此外，旋光度亦無法用分子的立體結構來推測，如此一來，鏡像異構物該如何命名呢？R, S命名法的誕生，便是為了解決這個問題。
圖3.6 可說明R, S命名法。首先，將與不對稱碳原子鍵結的原子（或原子團）排序，排序的方式與E, Z命名法的步驟相同，從原子序最大的原子開始排。把順序排出來便可得到圖3.6右部的表，再將順序最後的原子（此例為氟原子F），轉到遠離眼睛的方向，如圖3.6 的左部，讓眼睛觀看分子的方向與箭號相同。如此一來，便能得到圖3.6左下方的示意圖。接著，依據另外三個原子（或原子團）的順序，觀察原子排列的方向。若原子排列方向為往右旋轉，分子的立體結構則為R配置；若往左旋轉，分子的立體結構則為S配置。依照此規則，便能定義具有不對稱碳原子的分子立體結構。兩個互為鏡像異構物的分子，由各個分子的相互作用所決定的物理性質（例如沸點），以及一般的化學反應性質，基本上不會有太大差異，這一點易使人誤以為鏡像異構物的化學性質無足輕重，但其實它對生物體來說是相當重要的。如附錄「構成生物體的有機化學」所示（第183 頁），構成生物體蛋白質的二十種-胺基酸中，有十九種胺基酸皆具有不對稱碳原子，亦即十九種胺基酸皆有鏡像異構物，而生物體只需要兩個鏡像異構物的其中之一，自然界只用鏡像異構物的其中一種胺基酸來合成蛋白質，進行維持生命的活動。由此可知，鏡像異構物掌握了生命活動的關鍵。

立體構形
1. 鏈狀烷類的立體構形
具有C=C雙鍵的化合物（烯類）可能會有順式與反式的幾何異構物（稱為順反異構物）。由於碳和碳以雙鍵鍵結，要旋轉這個鍵結，需有足夠的能量打斷雙鍵的鍵，亦即兩個異構物具有難以跨越的能量障礙（旋轉能障，rotation barrier），因此在室溫下，會保持穩定狀態，兩個異構物不會改變結構，互相變來變去。

但C-C單鍵不一樣，無論怎麼旋轉，也不會影響重疊的電子軌域（鍵結部位），不像幾何異構物一樣擁有能量障礙而難以旋轉結構。換句話說，在室溫下，C-C單鍵能夠任意轉動，可以自由旋轉，但是不同角度的結構，仍有微小的能量差異，所以會產生數種構形異構物※。下文以乙烯為例，說明這個現象。
如圖3.7，從箭頭的方向看乙烷分子，所投影出來的圖稱為紐曼式投影圖。圖中，近處的碳原子以點表示，遠處的碳原子以圓圈表示，由圖可知，與這兩個碳原子鍵結的氫原子，彼此的相對位置有數種可能。其中，較典型的形式包括交錯式與重疊式。在重疊式的狀態下，接於不同碳原子的各個氫原子相距較近，比較擁擠，比交錯式不安定。這種結構差異稱作「立體構形差異」，不同於各種幾何異構物的立體結構（配置）差異。
※非鏡像異構物分為順反異構物與構形異構物。構形異構物可旋轉化學鍵結，使異構物互相轉換；順反異構物則不能旋轉化學鍵結。

將乙烷的兩個氫置換成甲基，即為丁烷，如圖3.8。此立體構形是典型的構形異構物。丁烷的交錯式與重疊式各有兩種構形異構物。當CH3與CH3互相重疊，在三維空間中會產生相當大的排斥力，比其他異構物不安定，而大原子團互相重疊，會使C-C單鍵難以旋轉，相較於乙烷，丁烷的構形異構物之間具有較大的能量差，可想而知，若置換後，原子團越來越大，C-C單鍵的旋轉便會越來越受限制，因此即使處於室溫，構形異構物仍可能安定地保持自己的結構，不過這種情況十分少見，一般認為C-C單鍵是可以自由旋轉的。

2. 環己烷的立體構形
立體構形在環狀碳氫化合物的結構中，扮演著重要角色。環己烷是由六個碳原子構成的立體構形異構物，如圖3.9。環己烷維持碳原子的正四面體結構，可分為椅式和船式兩種構形。

椅式和船式構形，哪一個比較安定呢？為了回答這個問題，請先由圖3.9的箭頭方向，看紐曼式投影圖。椅式構形的所有C－C鍵結皆為交錯式，而船式構形則有些鍵結是重疊式。而且船式構形接於第一與第四個碳原子的兩個氫原子靠得很近（稱作旗杆氫），如圖3.9。這兩個氫原子會產生空間張力（互相排斥），因此船式構形比椅式構形不安定。環己烷分子最安定的構形為椅式構形。
與立體結構（配置）相比，立體構形的異構物之間，能量差十分微小，卻在有機化學反應中，扮演重要的角色（詳見第5 章）。

分子式、結構式的寫法與解讀
化學式將元素符號寫成式子，以表示分子的組成。化學式有好幾種寫法，可達到各種目的。下表以乙烷、乙醇、環己烷等化合物為例。

要描述分子的基本結構，必需知道構成分子的元素種類與個數，分子式提供了這些資訊，亦即，分子式可以告訴我們化合物的基本資料。其中，分子各種組成元素的比例特別重要，而實驗式即是元素比例的表示法。例如，乙烷的分子式C2H6，代表一個乙烷分子是由兩個碳原子與六個氫原子所組成，碳和氫的比例是1:3，因此實驗式是CH3。乙醇、環己烷這兩個化合物的分子式與實驗式已列於表3.1，...

有機化學探討有機化合物。有機化合物主要由碳、氫、氧、氮四種元素組成，這些元素的種類雖然不多，卻以獨特的方式結合，形成種類繁多、性質不一的有機化合物。舉例來說，構成生物體的重要物質、提供生物體養分的物質，以及藥物等，都屬於有機化合物，因此，對於從事相關產業者來說，有機化學是必備的基礎知識。

生物體內有許多碳原子彼此鍵結，並與氫、氧、氮等原子作用，形成各種有機化合物，使生物體得以維持生命活動。在微小的原子世界中，除了碳原子，還有上百種原子，為什麼生物體偏偏以碳原子為骨幹呢？有機化學就是在探討這個問題。

學習有機化學，需對原子、分子有基本的認識，例如有機化合物由什麼原子、以什麼方式鍵結而成，明白這些原理，便能認識各種有機分子的溶解度、沸點等性質差異，進而認識在什麼樣的條件下，才能讓各分子產生反應，使我們能夠製造所需的分子。因此，學習有機化學不能死背化學反應式，這不是只著重記憶力的學問，而是一門研究原子、分子性質的科學。

本書介紹高中程度以上的化學知識，因此，高中生閱讀本書，除了可以學到更深入的知識，還可以接觸未知的有機化學世界。本書主角是一位大學生，他將帶領讀者認識有機化學的基本概念與相關內容。舉例來說，碳原子如何鍵結成各種有機分子？不同有機分子有哪些相異性質？為什麼有些分子易溶於水？有些分子易溶於油？本書著重於說明這些基本概念。

一般有機化學教科書所列舉的化學反應式，並不是本書的重點。要深入了解有機化學，需要的不是大量背誦，而是要理解化學反應的原理。此外，本書的「作者專欄」，將從我的專業──香料化學的觀點，來補充相關知識。期待各位讀者讀完本書，能進一步認識有機化學。

最後，感謝歐姆社開發部所有工作人員幫助我完成本書，此外，根據我的原稿製作精美漫畫的TREND．PRO牧野博幸先生、負責腳本的青木健生先生以及大竹康師先生等，我都打從心底感謝。還要特別感謝慷慨答應幫忙審訂原稿的日本琦玉大學研究所──石井昭彥教授。
長谷川登志夫

有機化學探討有機化合物。有機化合物主要由碳、氫、氧、氮四種元素組成，這些元素的種類雖然不多，卻以獨特的方式結合，形成種類繁多、性質不一的有機化合物。舉例來說，構成生物體的重要物質、提供生物體養分的物質，以及藥物等，都屬於有機化合物，因此，對於從事相關產業者來說，有機化學是必備的基礎知識。

生物體內有許多碳原子彼此鍵結，並與氫、氧、氮等原子作用，形成各種有機化合物，使生物體得以維持生命活動。在微小的原子世界中，除了碳原子，還有上百種原子，為什麼生物體偏偏以碳原子為骨幹呢？有機化學就是在探討這個問...

序章來自太空的有機俠

第1章化學的基礎
1.1 什麼是化學？
1.2 有機化合物分子主要由碳原子組成
1.3 原子結構與化學鍵結
深入了解
原子結構
軌域與電子組態
sp3 混成軌域與單鍵
作者專欄料理是有機化學的實驗

第2章有機化學的基礎
2.1 有機化合物性質的由來（官能基）
2.2 有機化合物的命名法
深入了解
雙鍵與三鍵
共軛與共振
作者專欄肉眼可見的巨型分子

第3章有機化合物的結構
3.1 什麼是異構物？
3.2 分子的平面結構與性質（立體結構）
3.3 分子的立體結構、分子的鏡像世界（鏡像異構物）
深入了解
分子式、結構式的寫法與解讀
E, Z命名法
立體異構物的各種表現方式
R, S命名法
立體構形
作者專欄立體結構會改變物質的氣味

第4章有機化合物的性質
4.1 溶於水與溶於油的物質（親水性．親油性）
4.2 影響沸點的原因（分子的交互作用．極性鍵結）
4.3 酸與鹼
4.4 具正六角形結構，名為苯環的芳香族化合物
深入了解
酸與鹼
苯的結構
酮－烯醇的互變異構
作者專欄有香氣的物質多為脂溶性

第5章有機化合物的化學反應
5.1 有機化合物可經多種反應，變成其他分子
5.2 碳氫化合物的反應
5.3 酒精的反應
深入了解
酯化反應
雙鍵的加成反應
鹵化碳氫化合物的親核取代反應
鹵化碳氫化合物的脫去反應
苯環反應（芳香族親電子取代反應）
作者專欄操控化學性質的力量：有機化學反應
附錄構成生物體的有機化合物
構成生物體的有機化合物
蛋白質
脂肪
醣類
人工合成的聚合物
索引

序章來自太空的有機俠

第1章化學的基礎
1.1 什麼是化學？
1.2 有機化合物分子主要由碳原子組成
1.3 原子結構與化學鍵結
深入了解
原子結構
軌域與電子組態
sp3 混成軌域與單鍵
作者專欄料理是有機化學的實驗

第2章有機化學的基礎
2.1 有機化合物性質的由來（官能基）
2.2 有機化合物的命名法
深入了解
雙鍵與三鍵
共軛與共振
作者專欄肉眼可見的巨型分子

第3章有機化合物的結構
3.1 什麼是異構物？
3.2 分子的平面結構與性質（立體結構）
3.3 分子的立體結構、分子的鏡像世界（鏡像異構物）
深入了解
分...