靜電勢圖

靜電勢圖 (electrostatic potential maps)
國立臺灣師範大學化學系三年級黃仲楷

一、簡介：

靜電勢圖是非常有用的三維分子圖。使我們能夠想像分子的電荷分佈和分子電荷的相關性以及分子的大小和形狀。在有機化學預測複雜分子的時候，其所發揮的功用更可稱為無可取代的無價之寶。雖然有機化學家們很少使用此圖來互相溝通，但是對於正在學習有機化學的學生們而言，這可是常能提供相當大幫助的利器呢。因為要準確地表達分析分子的電子分布，是需要非常龐大的數據量才能達成的，因此靜電勢圖就成為了表達的最佳方式了。

二、定義：

簡單來說，靜電勢圖(electrostatic potential maps)就是將部分電荷(partial charges)的表示式轉化成3維空間、彩虹樣式的圖像。在這圖像中，利用色階以表達部分電荷-、+的面積，一般來說紅色代表的就是δ-，藍色則是代表δ+。如圖1：

圖1：水分子的靜電勢圖。由圖可知愈紅即代表電荷愈負;愈藍則是愈正。

建造圖形的第一步是收集一系列非常特別的資料—靜電勢能(electrostatic potential energy)。然後再計算從原子核到一定距離的靜電勢能。透過一系列精密的演算後，將計算完的數據套用到薛丁格方程式所建構的分子模型即能生成之。

具體來說就是，正電荷可以被放在很多不同的位子，而每個位子我們計算點正電荷和環境電子之間的吸引所造成的位能。大吸收意味著δ^–，小吸收則是δ⁺。

用途：在靜電勢圖中最主要判斷的就是電荷的分布，由電子的分布及可推論出更多你想知道的內容了。

有機化學：在有機化學中，靜電勢圖勢非常有用的。由於沒有公式可以描述這麼複雜的數據，所以最好的辦法就是使用靜電位勢圖。且有機化學擴展了分子特性的主題，聚焦於活性位點。

三、比較、實例：

第3部分我們要來比較不同靜電勢圖，以及探討能從圖中看出個甚麼蹊蹺：註：要比較2個靜電勢圖的前提是2張圖所使用的色階要相同。

1. 2D v.s. 3D：

例：苯：

如圖所示，這3維的靜電勢圖非常的相似於2維的基本架構圖。且藍色部分對應著氫原子。紅色的低電位區域電子較為豐厚，而藍色高電位區域的電子則較為貧乏。

2. 電負度 ＆ 化學鍵的特性：

例：二氧化硫：

I     電負度：

藉以判斷二氧化硫的氧原子和硫原子的所在位置，由2者的電負度性質可推斷出，因氧的電負度比硫高，所以電子會較喜歡圍繞在它的身邊而使電子密度增加。因此2側紅色區域為氧原子，頂部的藍色區域則為硫原子的位子。

II   化學鍵的特性：

圖形中可看出，在2個極端區域中間都有一層綠色的夾層，這說明電負性的差值不是很大，因此可推斷出二氧化硫的化學鍵極有可能為共價鍵。

1. 孤對電子的位置：

吡咯                                                                              吡啶

2. 2者的差別就是N的孤對電子在環內或是環外：吡啶的在環外，圖形呈現了一小區紅色塊;吡咯的在環內，電子在環中轉，因此中間呈現了一片紅色。

參考資料

1. http://chemwiki.ucdavis.edu/Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles/Electrostatic_Potential_maps
2. David R. Klein  2012  Organic Chemistry  John Wiley ＆ Sons,Inc.
3. 圖1：http://people.reed.edu/~alan/ACS97/elpot.html
4. 圖2： http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_15.html