E, Z系統

E, Z系統 (The E,Z system)
國立新莊高級中學陳偉民退休教師

當烯的C=C上有三或四個非氫取代基，且可能出現幾何異構物時，可以使用E, Z系統區別。

當碳碳雙鍵（C=C）的四個鍵結位置上有兩個非氫之取代基，且可能出現幾何異構物時（如圖1），若兩個氫原子在雙鍵的同一側，屬順式異構物。若兩個氫原子位於雙鍵的異側，屬反式異構物。

圖1　順式與反式之1,2-二氯乙烯

但是如果化合物變得較為複雜時，順反系統會遭遇困難。例如在圖2的兩個化合物中，何者為順式？何者為反式？

圖2　 3-氯-2-戊烯的兩種幾何異構物

因為接在碳碳雙鍵上的四個取代基都不同，很難判定應該取哪兩個取代基來比較它們是位於同側或異側。

E,Z系統使用一系列的規則判定取代基的優先順序。針對連接在雙鍵的同一個碳原子上兩個取代基比較其優先順序的高低，如果優先順序較高的兩個取代基位於碳碳雙鍵同一側，則屬Z式（來自德文zusammen，「在一起」的意思）；如果優先順序較高的兩個取代基位於碳碳雙鍵異側，則屬E式（來自德文entgegen，「相反」的意思），如圖3。

圖3 依各取代基之優先順序高低判定Z, E異構物

各取代基的優先順序判定原則如下：

1. 優先順序是依原子序判定：與碳原子連接之原子，其原子序愈大者，優先順序愈高。圖4顯示部分取代基之優先順序，原子序標示於括弧內。

圖4 取代基之優先順序是依原子序判定

2. 如果憑直接與雙鍵碳連接的原子無法判定優先順序高低，就比較下一個原子，依此類推，直到能夠判定優先順序高低為止。圖5顯示部分必須靠第二個原子才能判定優先順序的取代基，原子序標示於括弧內。

圖5 依第二個原子之原子序判定取代基之優先順序

3. 當取代基中的碳原子不是以sp³混成軌域鍵結時，為了進行優先順序的比較，必須把其鍵結數變成最大量。因此雙鍵及參鍵均拆開成單鍵，也就是說與以雙鍵連接的各原子變兩個原子，如圖6。

圖6 為了比較順序，有時必須把多鍵拆成單鍵

依上述原則，圖2中3-氯-2-戊烯的兩種幾何異構物，連接在左邊碳原子上的兩個原子分別是H和C，原子序：1 < 6，所以-H的優先順序低於-CH₃；連接在右邊碳原子上的兩個原子分別是Cl和C，原子序：17 > 6，所以-Cl的優先順序低於-CH₂CH₃。因此判定左邊的分子為E式，右邊分子為Z式，命名如圖7所示。

圖7　 3-氯-2-戊烯的E,Z兩種幾何異構物

參考資料

1. Brown, Poon(2005). Introduction to Organic Chemistry. Wiley, Hoboken, NJ

2. http://www.chemguide.co.uk/basicorg/isomerism/ez.html