试论环状化合物_芳香性_的判断方法

第25卷　第4期

高师理科学刊Vol .25　No .42005年　11月Journal of Science of Teachers ′College and University Nov .　2005

收稿日期:2005-06-12

作者简介:夏新泉(1965-),男,湖北浠水人,高级讲师.

文章编号:1007-9831(2005)04-0041-03

试论环状化合物“芳香性”的判断方法

夏新泉

(湖北师范学院化学与环境工程系,湖北黄石435002)

摘要:探讨了几类环状化合物“芳香性”的判断方法,阐述了解决这类问题的基本思路.

关键词:环状化合物;芳香性;判断方法

中图分类号:O625 文献标识码:A

学习有机化学,我们经常会碰到“芳香性”这一概念,如何确定一个化合物是否有“芳香性”呢?

关于“芳香性”的早期定义是考虑动力学稳定性,即化合物的取代反应比加成反应更容易发生.后来定义则依靠化学的稳定性,以共振能的大小来量度.最近的定义提供用光谱及核磁的标准,磁有向性在平面π电子体系中能受感应,并可用质子磁共振(P m r )光谱中位移到较低的场来检定或借反磁性的灵敏度上升的测定,π电子流也产生电子光谱,和简单的共轭烯类所显示的光谱有重大的不同.关于“芳香性”的另一种物理标准,为整个芳香体系具有相同键长和共平面的特性,这种分析需要X 光结晶学、微波光谱或

电子衍射技术[1].

1　“芳香性”及休克耳规则

分子轨道计算提出了关于“芳香性”的另一标准,轨道的占据比非定域能的大小具有更为基础的意义.关于芳香化合物的π能量的能级图解显示成键轨道完全充满,非键轨道或全空或完全充满,形成了一个“封闭壳”或“充满壳”体系(因为在平面单环体系中,只有1个能量最低轨道,而有1对或几对能量较高的轨道).

由s p 2

杂化原子组成的平面单环体系的分子轨道通常是有一个能量最低的成键轨道,然后是能量较高的2个能量相等的轨道(即简并轨道),一直到能量最高的轨道.

如:环丁二烯、苯的π能量的能级图解如下[2]

. 图1　环丁二烯π能量的能级图解 图2　苯的π能量的能级图解

所以,若要充满一定能级的轨道,在这种π体系中就要有2,2+4,2+4+4,2+4+4+4.即2,6,10,14,…个电子.Huckel 认为,分子若要显示芳香性,则在π体系中其电子数必须符合4n +2这个数字,这里的n 是整数,可以是0,1,2,3,…,换言之,凡是含有4n +2个π电子的平面单环化合物应具有芳香性.这就是Huckel 规则.

2　

π电子的计算利用“4n +2”规则判断单环共平面化合物的“芳香性”简洁明了,现在的问题是如何计算共平面环状

　化合物的π电子数,

这方面内容在一般教材中是一笔带过,或直接给出结果,如何推导?学生无从知晓,面对课后的习题也感到无从下手.所以,笔者认为教师在讲述这部分内容时,既要简要讲明Hukcel 规则的由来,更重要的是教会学生如何求算环状化合物的π电子数.

2.1　碳原子组成的平面单环化合物π电子的计算及芳香性判断

平面碳环化合物中,碳原子一般以s p 2

杂化形式出现,其轨道表示式为:

2p ↑ s p 2 ↑↑↑

其中3个s p 2轨道依次与2个碳原子和1个氢原子形成如下三角形平面结构:C 3

原

子以3个s p 2电子分别与2个碳原子1个氢原子,形成3个共价键,余下1个电子居2p

轨道,2p 轨道与左边三角形平面垂直,所以每一个以s p 2杂化的碳原子必有一个垂直该

杂化碳原子所在的三角形平面的p 轨道,p 轨道中占据1个电子,而形成环π键的正是由

多个垂直环平面的p 轨道侧面重叠而形成,即形成π键的电子数等于s p 2杂化的碳原子数.

如:C 4H 4环丁二烯有4个s p 2杂化碳原子,所以π电子数为“4”,C 6H 6苯有6个s p 2杂化碳原子,π电

子数为“6”.

若环状化合物带电荷时,则π电子数等于环中s p 2杂化碳原子数减去环所带正电荷数或加上环所带

数负电荷数.如:环丙烯基正碳离子,π电子数=3(3个s p 2杂化碳原子)-1(带1个正电荷)=2.环戊二

烯负离子:π电子数=5+

1=6.

如碳环环外含有较强吸电子基团时,例:2,4,6———环庚三烯酮,由于C =O 键的吸电

子作用,C =O 中碳的电子云偏向氧,呈正电性,即该碳原子2p 轨道上的电子数为零,则

构成碳环大π键的电子个数为3个双键π电子数之和,等于6,说明以上碳环化合物有芳

香性.

2.2　稠环碳环化合物π

电子数的计算及芳香性判断

[3]若把Hukcel 规则用于稠环化合物,则主要考虑稠环化合

物外围(及周边)的π电子数.如果电子数符合4n +2数目,

该化合物就有芳香性.萘、薁、蒽、菲都是平面型分子,其外围

π电子数分别是10,10,14和14,在芘这种平面型分子中,虽

然有16个π电子,但外围只有14个π电子,因而芘也有芳

香性.

2.3　环化合物π电子数计算及“芳香性”的判断

常见的单杂环有呋喃、噻吩、吡咯、吡啶等.其结构如下:

若要化合物中几个原子共平面,则每个成环原子均须采

用s p 2杂化,其中每个杂化碳原子可提供1个p 电子形成大π

键,故呋喃中4个碳原子均给出1个π电子,氧原子s p 2杂化

轨道表示式为:

2p

↑↓ s p 2 ↑↓↑↑

或许有人要问,为什么氧原子的s p 2

杂化轨道只有1个

轨道充满?原因在于氧原子还需与另外2个碳原子分别形成C -O 单键,所以氧原子s p 2杂化轨道须有2

个s p 2孤电子与相临2个碳原子形成C -O 键.那么与环平面垂直的2p 轨道上就有2个p 电子,氧原子可给出2个π电子,故呋喃的π电子由4个碳原子提供4个p 电子和氧原子提供的2个p 电子构成,一共有6个π电子,符合Huckel 规则,有芳香性.噻吩与呋喃结构类似,故一样有芳香性.吡咯分子中,4个碳原子如前例,可推得它们共提供4个电子,氮原子因与2个碳原子和一个氢原子成单键,即2C -N ,1N -H 键,

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