離域電子(Delocalized Electron)

離域電子(Delocalized Electron)
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

離域電子並非侷限於分子中的單一原子或單一共價鍵上，它是在一原子與其鄰近的數個原子所共同組成的分子軌域範圍內的電子。離域電子在雙鍵的共軛系統(conjugated systems)、芳香族(aromatic)和中離子(mesoionic)系統內可以見到。共軛系統發生在原子以單鍵和多重鍵交替排列的有機化合物(例C=C-C=C-C)中，在互相影響之下產生離域電子。這些離域電子不屬於任何一個鍵或原子，而屬於整個基團。例如酚(C6H5OH，苯環上帶OH基，如下圖)上的六個電子在平面環的上、下方和OH基周圍。這個共軛系統使得電子可離域橫越所有鄰近原子上以平行排列的p軌域，因此，使分子增加安定性並降低總能量。離域電子也發生在固態金屬中，而造成金屬的導電性質。

苯環六個碳上的電子生成的六個離域π電子，通常以畫圓圈表示。六個C-C鍵都等長的現象是離域電子的特性之一。價鍵理論中，是以共振結構(resonance structures)來表示苯中電子的離域狀態。離域電子也存在於羧酸根基團(carboxylate group)中，它的負電荷平均分布於兩個氧原子間。也就是說，任何分子只要有共振結構，能使它的電子出現在兩個以上的原子周圍，即稱為離域作用(delocalization)，這些電子稱為離域電子。

基於許多的理由，離域電子非常重要。由於電子的離域作用能造成較穩定的組態，使得某些預期的化學反應不會發生，卻使反應發生於其它的原子位置。例如：苯環與1-氯-2-甲基丙烷的烷化反應中，碳陽離子(carbocation)藉由超共軛的特殊離域作用，重排成穩定的三級丁基(tert-butyl)。

離域電子也存在於金屬結構中，金屬結構由正的離子與離域電子海構成，這意味著電子能在結構中各處自由移動而提高導電性。大部分的金屬具有相當數量的離域電子，傳導能力頗佳，非金屬則否。鑽石四個最外層電子，以共價鍵結定域化(localized)於原子間，電子的移動受限而不能導電。石墨則利用四個最外層電子中的三個形成共價鍵，而且碳原子間形成平面結構；毎個碳原子提供一個能形成化學鍵的電子到離域系統中，這些離域電子能在碳平面上自由移動。因此，石墨中同一平面的碳原子具有導電性，但卻不能在平面間的垂直方向導電。

參考資料：
http://en.wikipedia.org/wiki/Delocalized Electron
http://en.wikipedia.org/wiki/Conjugated System