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對化學家而言，合成物質，先要知道一個分子的立體結構資訊，但在有了這些資訊之後，化學家碰到的一個更大挑戰，就是要在許多立體選擇性上奮戰。不能每步驟的合成都像是丟硬幣選邊一樣的靠運氣，因此，具有高選擇性並容易操作的反應方法，從來就一直是化學家努力的目標。

關於碳的反應

有機分子由碳氫元素（烴）為骨幹所組成，加上其他原子後，其間各種不同的排列組合產生各種不同性質的分子，其中，碳原子的排列方式是影響性質最重要的關鍵。由於碳原子本身可以有4個鍵結的特性，其排列組合就帶有立體選擇性，而造成各種不同的異構物。在合成分子量小、結構簡單的小分子時，按序一個個的碳原子活化以後，再進行反應組合起來，就可製備出結構正確的化合物。但是對於生化分子或是結構複雜度高一點的大分子，隨著碳數與環狀結構的數量增多，要準確的控制每一次都在正確的位置上發生反應，得到正確的結果，是非常困難的事。因此，控制及合成碳–碳鍵的反應與方法，至今仍為化學研究的重點。

已經有五個控制碳原子上反應的方法，獲得諾貝爾獎的肯定，分別是1912年利用有機鎂化合物開創有機金屬合成應用大門的格里納試劑（Grignard reagent），1950年的狄爾斯– 阿德耳反應（Diels-Alder reaction）是合成六員環有機化合物的重要方法，1963年齊格勒．納塔催化劑（Ziegler-Natta catalyst）的出現使聚合物與有機化學發生了重大變革，1979年的威悌反應（Wittig reaction）為烯烴類化合物合成的重要方法，以及2005年利用金屬催化劑（Grubbs catalyst）參與烯烴雙鍵的重組，被廣泛應用在現代醫藥和聚合物工業中。這些方法都具有容易使用、具有很好的反應性、應用廣泛以及反應選擇性高的好處，是化學家們合成時重要的工具。

原子軌域和分子軌域的形狀與觀念

尋找原子複雜多變表現的原因，與原子所能形成的化學鍵有絕對的關係。量子理論定義了電子在原子外的空間分佈的趨勢，這些電子形成所謂的殼層（shell），每一個殼層可以容納不同數量的電子，最內層的殼層只能容納2個電子，第二層可以容納8個電子，而且分成兩組不同的副殼層，稱之為2s與2p，分別容納2個和6個電子，第三層殼層可以容納18個電子，分為2個、6個和10個電子的副殼層，稱之為 3s、3p 與3d，每一層的殼層都有屬於自己的特殊形狀（圖一），共價鍵（covalent bond）是原子與其他原子間互相分享電子，將自己的殼層（shell）填滿，達到最穩定的結果。簡單的以氫分子（H₂）為例，就是兩個原子各出一個電子，這一對電子就在這兩個原子之間來來回回的移動，把兩個原子拉在一起，像握手一樣，量子理論認為這些電子在空間中是在受限的範圍中移動，電子繞行的軌道形成所謂的軌域（orbitals），這些軌域不一定是圓形，各有一些奇怪的形狀。

圖一：原子軌域形狀與副殼層。（作者提供）

碳的最外層殼層（價層，Valence Shell）可以容納八個電子，本身已經有四個屬於自己的電子了，因此傾向於找另外四個電子來形成鍵，把碳最外層的殼層填滿。若有另外4個原子各提供1個電子，就可以形成四個共價鍵，這四個共價鍵的軌域會為了彼此之間不要互相排擠，在空間中形成特殊的結構，讓每個鍵之間排斥的力量降到最低，以甲烷（CH₄）來說，碳與每個氫原子各共享了一對電子，形成四個碳– 氫共價鍵，這四個鍵彼此拉開109.5度，因此甲烷看起來是一個正四面體的形狀（圖二）。

圖二：甲烷分子結構。
（a）碳與氫共用電子
（b）正四面體結構
（c）碳氫鍵之間的鍵角。

甲烷的原子軌域形狀各異，但如何形成四面體？化學家就以混成軌域（hybrid）的方式，來解釋軌域與分子形狀的形成，也就是將電子的軌域混和以後，重新組成的一種新的軌域，在甲烷的例子中，碳最外層的四個電子，混成了四個稱之為sp³的分子軌域，形成四個單鍵（σ 鍵）。……【更多內容請閱讀科學月刊第524期】