為何苯的凱庫勒式是不準確的但仍然在用?


有一次在某處講化競課,台下一同學大概是剛學無機,問我為什麼軌道會雜化

我說這是一種數學處理方式,實際(描述單電子行為時)分子軌道更精確。

那分子軌道是什麼樣的啊?

翻書找了個乙烷的分子軌道。

哦那這是錯的唄,不看了。(把無機課本扔進桌斗)

???

去月球是不能走著去,但你去月球之前得先會走吧。

切題點的回答是其實凱庫勒式在一些方面可以體現出更多的信息,比如有些取代基的定位效應等等。

類似的例子還有很多,比如為什麼烯醇負離子不都寫成那種點點點兒的……

覺著這種東西能簡明地表達物質的重要性質,約定俗成就好。

其實我圖省事兒的時候是這麼畫苯酚的(跑)


因為好用唄

就像丁二烯不會把共軛鍵畫成虛線,環丙烷不會把香蕉鍵畫出來並且表現出單鍵較弱的鍵能,硼烷不會點一堆點點,氯氣的原子不是一個C和一個l拼成的,化學式從來也就是個結構式的表現,並不能像想像的那麼好的刻畫成鍵情況。另一方面也方便書(yi)寫(yin)機理~

所以用的舒服就好,最重要的一點是

你畫個圈能幹啥啊。。


我覺得主要還是使用方便

凱庫勒式不合理的原因主要是在鍵角和鍵長上,但是這種結構上的差異除了在理論計算化學時需要注意,在普通表述中並沒有什麼太大的影響。

我們在寫共軛多烯的時候也沒有按照鍵長平均化化成虛線~

只是在研究有機化學的時候,我們需要知道因為它真實是一個大Π鍵,苯環分子是D6h點群的高度對稱性,所以每一個C都是相同的。

凱庫勒的共振結構也可以說明這一點

就是每個碳的化學環境是相同的

在公認這個前提下,你就會發現凱庫勒式強大的優越性:

1.在反應機理中表示電子流動

比如親電取代時候,一個雙鍵打開的過渡態,

不過這個不是很鮮明,因為畫圈圈也可以說明這個過程,比如σ-絡合物

但是在與苯環芳香性破壞的反應機理中,優勢就出來了

比如這個反應

反應機理是

你可以通過凱庫勒式看到電子流動過程

包括苯酚苯環氧化成醌也是一樣

2.可以提供解釋定位基效應的依據

例如鄰對位定位基致活是因為產生穩定的共振結構,包括解釋多環芳烴如萘常發生α位取代的原因

除了機理方面一些優越性,在一個有稜有角的框里加一個圓滑的圈總是有些突兀。這是美觀方面。還有我們在寫苯炔的時候畫圈圈就不方便

當然抖個機靈~

凱庫勒式的缺點之一就在於會多出一些題目讓你判斷有沒有芳香性,要是統一要求有芳香性的閉環都畫圈,你還需要判斷這些的芳香性么~


(20170818修改)

凱庫勒式從來都不是完全錯誤的,離域式(圓圈式)能解釋苯的一些性質,同樣凱庫勒式也能解釋一些苯的性質,甚至有些性質離域式解釋不了,凱庫勒式卻能解釋。

苯具有芳香性,芳香性從化學性質的經典角度解釋,可以解釋為:苯雖然是一種高度不飽和的烴,但化學性質卻更像飽和烴(例如烷烴),容易發生取代反應,而不容易像不飽和烴(例如烯烴)一樣發生加成反應,也就是苯環具有一定的特殊穩定性。這就是經典的芳香性定義,可見這一定義主要是基於苯化學性質的。

但苯環是否就完全失去了烯烴(或者雙鍵)的性質呢?首先,苯環雖然說不容易發生加成反應,但實際上還是能加成的,而且只要選擇合適的反應條件,加成也不一定十分困難,最典型的例子就是紫外光照射下,苯很容易和氯氣加成得到六氯環己烷,即六六六。

其次,很多烯烴或者雙鍵的特有反應,苯環雖然說要較為強烈的條件,但還是能發生的,例如鄰二甲苯的臭氧化反應,不用凱庫勒式表示出雙鍵,是很難解釋的,甚至需要承認凱庫勒提出的一個觀點,苯環是在兩種凱庫勒式結構之間互變異構(即「振蕩」,這可以看作是共振論的發軔),才能較為有效地解釋這一反應:

再如,在極強親雙烯試劑的作用下,苯環也不是完全不表現出共軛雙烯的性質,例如用六氟-2-丁炔或者二氰乙炔作為親雙烯試劑,苯環也有發生雙烯合成反應(D-A反應)的可能:

這些例子至少證明,苯環的很多化學性質,並沒有完全失去烯烴或者雙鍵的性質,如果說用離域式表示苯環能解釋苯環的一部分化學性質,那麼用凱庫勒式同樣能解釋苯環的另一部分化學性質。

化學是一門以實驗為基礎的學科,任何理論解釋只能服從於實驗事實,尋找一個直觀簡單實用的模型來解釋實驗事實是很自然的。離域式雖然與苯環分子結構的測定符合,但它不能解釋苯環的很多化學性質,因此用於物理或者量子化學領域還是比較合適的,但用於實驗化學領域顯然就不太好用了,而凱庫勒式,只要加上共振論,卻幾乎能直觀地解釋苯環的所有化學性質,在以實驗為基礎的化學領域得到廣泛應用,自然就是理所當然的事情了。

其實,如果要準確地說,現在有機化學領域廣泛使用的結構式,即Lewis結構式,以及「八隅體」規律,也只是一種習慣使用的模型,與真正的量子物理或者量子化學相距甚遠,但由於直觀簡單實用,在有機化學領域中仍然佔據絕對統治地位。

至於共振論,VB理論的奠基人鮑林曾經說過一段話(大意):共振論並不比Lewis結構式更加「虛幻」,對於共價鍵,鍵長、鍵角等是可以測定的,但單鍵、雙鍵、叄鍵等,實際上也只是「虛幻」的模型罷了(通俗講就是:莫非真能測定出原子間是用一根「短線」還是用兩根、三根「短線」連接的?)。共振論只要是一種實用的模型就行了,這就是以實驗為基礎的化學領域中的「實用主義」態度,這一點本人很贊成 @Yongle Li 的觀點。

在化學領域中,苯環離域式的使用範圍實在是太有限。準確地說,離域式只對苯環,甚至是完全沒有取代基的苯環才是合適的,稠合苯環體系用離域式都是不太合適的,這裡給出邢其毅《基礎有機化學》第一版中的一個例子,萘——最簡單稠合苯環體系的臭氧化:

可見,用凱庫勒式表示萘的結構式雖然不是太合適,但還比較接近萘的性質,如果用兩個苯環裡面畫兩個圓圈的離域式,反而更不合適,萘中的C-C鍵本來就不是完全等長的。

對於更複雜的稠環芳烴,離域式可能就更不合適了,以菲為例,寫出共振式(同樣來自邢其毅《基礎有機化學》第一版,截圖可能不太清晰):

凱庫勒式形式的共振式可以清楚地看出,菲的9,10位(右下角的那個鍵)之間,五個共振式中只有一個是單鍵形式,其餘四個都是雙鍵形式,可以預測這個鍵很接近於雙鍵,雙鍵性質很強。實際也是如此,菲的9,10位之間表現出強烈的雙鍵性質,很容易發生加成反應,這一性質用三個苯環裡面畫三個圓圈的離域式是無論如何也表示不出來的。

再給出一個歷史上的有趣合成實驗,合成環己三烯,當然,實際最後得到的就是苯,至少也說明了在六員碳環中引入三個共軛雙鍵就能得到苯,或者也可以勉強說苯就是環己三烯吧,合成路線如下:

最後,可以參見筆者兩年前寫的胡說八道(但絕非超理)解釋:

Studio TBsoft:教科書中苯環為什麼要寫為凱庫勒式?


同宿舍的化競大神一直用凱庫勒式

我高三畢業之前終於鼓起勇氣問她,「大神,你為什麼一定要用凱庫勒式?因為你尊敬凱庫勒其人?還是你認為這個更「正確」?」

她歪著腦袋很嚴肅地從上鋪給我投來王之凝視,緩緩開口說:「就是因為很萌啊……」

——————慌亂的分割線————————

大家去贊那些更專業的解釋吧…我這只是閑的無聊寫個段子啊…(謝謝評論區有人指出)

啊啊啊1k了,寶寶好慌啊……

————————假分割線————————

天哪...2k了…

我改進了一下苯寶寶,因為本寶寶更喜歡用藍色筆^_?☆


哈哈哈,居然都覺得凱庫勒式比較萌。記得我高中學競賽的時候問過那些老教授,他們的答案是凱庫勒式的直線顯得更正式,橫平豎直的更像書法一樣,而畫成圓圈顯得太圓潤幼稚了,沒有大家風範。再加上凱庫勒式用的比較早,他們比較習慣,代代相傳下來也就約定俗成了。(憑記憶無責任轉述,逃)


分子的表達式說白了是一種模型,第一可以用來表達分子(從這一點上來說苯的圓圈畫法和凱庫勒畫法完全沒問題,還可以用 Psi=|psi_1psi_2cdotspsi_6> 之類的Slater行列式表達,也可以用c1ccccc1這種SMILE2格式表達),第二可以用來描述與推導化學反應機理(請自行觀賞山東大學郝愛友、吉林大學林英傑的有機化學課程視頻,以及其他高等有機化學教材與視頻)。化學反應機理雖說可以用量子化學精確計算,但是費時費力;而受過訓練的有機化學工作者,可以用包含苯的凱庫勒化學式的分子式這種模型,結合共振論定性地(恰當地描述電子的定域性與離域性;一般水平的量化計算往往高估或低估定域性與離域性,解釋計算結果也需要經驗)推導、理解有機反應機理,在不進行計算、實驗的條件下儘可能地總結化學反應的規律,預測未知反應的信息。

這種模型,跟廚師的菜譜、中醫的藥方有許多相像的地方,就是對經驗的需求較大,任意性也較大。要學明白,一是多讀名家的論文,比如Sharpless等;另外就要多作實驗。一切基礎學科都是實驗學科,有機化學中應用的化學式來源於對實驗的解釋,又能推測未知的實驗。

最後講一下,目前量子化學計算中,普遍使用的方法都是物理學家於20世紀初開發的,那時候的物理學家要麼從電子全局域在原子上出發,推導一套電子離域在分子中的計算理論;要麼從電子彌散在全空間出發,把電子做定域化處理,所以理論計算的結果難以完全跟實際符合。這時候不如從經驗出發,得到一些近似規律,做出的預測往往物美價廉,當然錯誤、例外也是難免的。好在中學競賽的題目都是基於科學家做出來的實驗,論文、習題集看得多自然規律就知道的多。但是不能讓經驗束縛住思路,畢竟量子力學才是理解化學反應的基礎,波函數才是描述分子的最好的語言。能走到哪一步就看自己了。


實際上,從量子化學的觀點看,凱庫勒式(加上「共振」)並不是「錯」的。凱庫勒式和圓圈式,本質上都是波函數的某種簡化表示。初次接觸波函數的人,大概會覺得波函數就是以坐標為變數的函數。既然苯的基態是一個確定的電子態,那麼波函數(以坐標為變數)也就應該只有一種形式。其實並非如此。由於以坐標為變數的波函數極其複雜,並沒有顯式的表達式,我們實際上一般是把波函數展開成一組函數的加和。這「一組函數」,就是「基底」。大家熟悉的泰勒展開也是這個過程,只不過泰勒展開的基底是「冪函數」。凱庫勒式和圓圈式的不同,實際上就在於選擇了不同的「基底」。凱庫勒式的基底是一種「透熱態基底」,而圓圈式的基底是一種「絕熱態基底」,它們各自用途,並沒有哪個更「正確」之分。就好比說20=10+10,或者20=15+5,你能說這兩個等式的哪一個是錯誤的么?

甚至,全對稱的「圓圈」式結構,實際上也是只是一個理想的基態模型,可以認為在0K時才基本完全成立。任何分子在有限溫度下都在振動,而很多振動模式會降低苯分子的對稱性。考慮到波恩-奧本海默近似,此時的電子態就不可能是 D_{6h} 對稱的形式,也就是說不可能如「圓圈式」結構所示。尤其是重要的是,對於化學家來說,一個化學反應如何發生,這個分子在過渡態附近(一般都有各種拉伸、變形)的電子狀態往往比0K時基態的電子狀態更為重要。此時,苯很可能就完全失去了 D_{6h} 的對稱性,凱庫勒式(不包含共振)很有可能是更為「正確」的,這也許是在某些反應中凱庫勒式的預測得以勝出的一個根本原因。


個人理解:其一是習慣(話說你不覺得這種比圈圈好看嗎),其二是多環芳烴還有芳香輪烯之類的不太方便畫圈圈(前者畫一堆圈圈原理上是不對的,畢竟所有電子都離域,後者的話...你畫畫看,難以描述),其三是分析機理時會用得上,比如苯環上的取代反應Ad-E機理,比如苯炔之類的,中間體就是涉及雙鍵三鍵的反應,畫圈圈不好表達。

對了,以前學的時候老師說圈要畫的大些,靠近框框,以示離域派鍵

哦對了,鄰二甲苯臭氧化得到三種產物,乙二醛:2-羰基丙醛:丁二酮=3:2:1,試解釋原因


高中化學課上

老師:......所以說,凱庫勒式是不準確的。

我們:那我們為什麼還要用它?!

老師:為了表示......呃......對凱庫勒老先生的敬意......

我們:我們到底為什麼還要用它?!

老師:不寫凱庫勒式三個雙鍵你們怎麼記得住苯加氫加成方程式裡面苯和氫氣的比是1:3啊!啊?!

(這是我知道最實用主義的使用凱庫勒式的原因......)

幾日後化學課上,講評作業

老師:你看看你們一個個畫的那個凱庫勒式苯環!就不能畫的認真點!一個個在作業上畫的那是什麼啊!一個【囧】臉?!


因為除非把一個苯分子「擺」在紙上

否則不可能找得到一種「絕對正確」的表示方法。


一方面是約定俗成

符號只是個符號,形如

苯環不是單雙鍵交替結構而是六中心六電子的pi_{6}^{6} 離域共軛體系。

這樣的知識可以說是基本得不能在基本了,不知道這個簡直不好意思說自己是學化學的。所以對於從業者而言,這個符號到底指代的基團是什麼樣的,大家心裡都清楚,根本不可能產生混淆。

而且你不要小看這個所謂的「約定俗成」,很難改變的(也沒必要改變,因為真的構不成障礙)。

實在你要是心裡彆扭,那就正六邊形中間畫個圈嘛。

另一方面如果未來你要深造有機化學,就一定會涉及一個概念叫共振式

苯的Kekule式是苯共振式的兩種極限情況之一,單雙鍵交替的模型也並非全無作用

你看它好像一副眼鏡啊!


單純一個苯庫凱勒式是有很多缺陷的,主要是電子云波函數的耦合。但是苯環上接一個甲基,甲基上的碳氫原子會對苯環上大電子云分布產生影響。事實上化學式都是不夠精確的,比如乙烯上的碳雙鍵也是一個大電子云耦合,但是氫原子上的電子云也會和碳上的電子云耦合,所以雙鍵上並不是真的只有二對電子云耦合,而是整個分子上的電子云耦合,但是電子云波函數分布側重於雙鍵的形式。所以化學式基本上來說只是一個簡單表達方式。同理乙炔上也是一個大電子云,電子云形狀接近圓柱體。

事實上基本上所有的化學原理都是量子力學弱化下來的,化學學到最後幾本就是量子化學,計算量子化學。我覺得還不如去學物理。


題主也可以思考一下為什麼牛頓力學嚴格來說不夠精確(在某些方面也可以說就錯了)還在用?


看到高票答案里說因為很萌 我就想到了這張圖…

的確就是很萌嘛!

圖出自可愛的同桌


不能說是完全錯的,苯環六個碳原子完全相同,作為一個閉合的共軛體系,碳碳兩兩之間有個sigma鍵,再加上碳氫sigma鍵,每個碳多出來兩個電子一上一下組成一個離域pie鍵,凱庫勒式的共振式才是正確的,單純的凱庫勒式也沒什麼不妥就是了


前幾天聽seminar的時候聽到的,聽說可以這麼用


雖然現在已經知道凱庫勒式不能反映苯分子的真實結構(大 π 鍵),但它還是能夠成功地解釋許多關於苯的重要的反應機理。這恰恰說明凱庫勒模型僅僅是「不完備」的,而不能簡單地被認為不正確。也就是說:大 π 鍵性質的部分推論與凱庫勒結構的性質相同,但前者需要用到更複雜的化學理論。

科學總是從現有技術與知識條件下相對正確逐步逼近真相的過程。化學中,關於分子結構的理論有許多,難道每套理論都適用於所有情況嗎?

凱庫勒式在解釋苯與氫氣的加成反應時,要顯得更為直觀、形象一些。

根據凱庫勒式,我們可以快速地列出關於該反應的關係式? sim 3 
m H_2

這恰恰說明凱庫勒模型在它的適用範圍內能夠簡化分析的優越性!


反正兩種畫法都不能很好地表示苯的結構,那自然兩種畫法都可以了。

手畫一直畫的圈圈,因為方便省事。但在電腦上都是用chemdraw畫,就不用考慮省不省事了,畫成單雙鍵是因為……漂亮?


非要抬杠的話,你覺得中間畫個圈就是正確的嗎?那周圍六條線呢?碳原子之間是用直線連接的嗎


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