第四章_芳香性

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因为它可以存在着下列偶极形式而呈现芳香性, 使体系稳定。
O

O
2.五元环
① 环戊二烯
环戊二烯的酸性所得到的环戊二烯负离子具
有芳香性,它符合4n+2规则,6个π电子均匀地
分布在环上五个原子所在的分子子轨道中。
H
H
pK=16.0
H
② 五元杂环化合物
环戊二烯中sp3 杂化C被氧、氮或硫等杂原子 取代,形成五元杂环化合物,它们均具有芳香性, 这是由于杂原子上共用电子对与碳的4个p电子共轭, 构成6 电子体系,所以具有芳香性。
1、Hückel规则 sp2杂化碳原子组成的平面单环体系, 其π电 子数为4 n+2时,具有芳香性。这个规则通常 称为Hü ckel规则。是评价芳香性的一个研究最 为成功的基本规则。
休克尔的分子轨道理论揭示了结构和芳香性的
关系。HMO法计算可以得出环状共扼多烯分子轨道
的能量。根据Pauli不相容原理和能量最低原理。基
13 3
HH HH
10 6
A
B
对[14]-轮烯也可用两个架桥基来取代环
内氢,架桥基之间的关系可有 两种排布,前
者存在桥基间的空间排斥作用但有利于6、7、
8 位碳上的p轨道平行排列。
C
顺式
D
反式
③ [18]-轮烯
[18]-轮烯内部空穴
是相当大的,没有非键 张力,没有角张力, 分
H H
H H
H H
子接近于一个平面且中 心对称。电子数符合
并与环平而垂直的磁场,使环外质子的化学位移值
移向低场(即有较大值)。
(6) 化学性质 芳香性化合物一般不易发生加
成反应,较难发生氧化反应仅能发生亲电取代反应,
这与一般烯烃化合物明显不同。
三、芳香性的判断
判别一个分子是否具有芳香性,较为成熟的
是核磁共振中化学位移值的变化,这种方法用于
分子是否有芳香性的判别和仲裁。 通常符合条件: 1)分子共平面 2)单双键交替即共轭 3)符合休克尔规则
3
4
5
6
要点: ① 以2β为半径画一个圆。
② 根据共轭体系中的K原子数,画出一个具有K个顶角的正
多边形,使其一角向下位于圆圈的最低点。 ③ 其顶角在中线以下为成键轨道,在中线以上为反键轨道, 在此水平直径上的是非键轨道。 ④ 只有4n+2个电子刚好填满中线以下的能级层,使体系稳 定,具有芳香性。
四、环状共轭多烯、轮烯和带电荷环体系的芳香性
(3) 分子的共平面性 具有芳香性的分子的一个显著
特征是环上原子具有平面性或几乎处于平面性的排列。
(4) 热力学稳定性 常用氢化热或燃烧热的数据来说明
分子的基态能问题。苯的氢化热是208.5 kJ/mol,而环已烯的
氢化热是119.7 kJ/mol 。 苯的氢化热208.5KJ/mol (苯转变成环已烷所放出的热) 环已烯的氢化热为119.7KJ/mol(理论计算结果)
以杂原子为架桥基共扼体系化合物E、F也可以使
分子变成平面分子,因此这些分子都具有芳香性。
H
H
O
Ac N
D
E
F
② [14]-轮烯
[14]-轮烯有明显的反磁环流,而且具有键长交
替现象。它有两种较稳定的处于平衡中的构型异构
体A和B 。[14]-轮烯的内腔要比[10]-轮烯大,故 环内氢的干扰相对较小,[14]-轮烯的3,6,10和 13位碳有点偏离平面。
非常不稳定,在室温下不可能离析出来。瞬间出
现的环丁烯很快二聚成一个三环化合物。是反芳
香性化合物。
2
根据休克尔规则,当环丁二烯失去2个电
子变成环丁二烯的两价正离子后,形成芳香大
键而稳定。分子应该具有芳香性。例如,以下
反应产生的丁二烯正离于的四甲基衍生物,其 NMR谱图上只出现单峰。
H3C H3C CH3 Cl Cl CH3 SbF5 SO2 H3C CH3 H3C CH3
如果环己烯的双链是苯的定域化体系wk.baidu.com模型,
则苯与假想的模型分子既定域的环己三烯分子相比较,
共轭能为三个烯的氢化热总和与苯的氢化热的差值:
3×119.7-208.5 = 150.7 KJ/mol
(5) 具有抗磁环电流性能
在外界磁场的作用后,
芳香化合物中封闭的电子体系能诱导出一个围绕环
转的电流,该环电流产生一个与外界磁场相反方向、
环外氢Hb处在反磁环流中,环上的π电子构成了
一个芳香体系。
3 4 5 7 6 4.87
Ha
8 1
Hb10.73
2
H
+
以上例子可以看出:P轨道之间的交盖,共轭 可以跳越一个或者几个饱和碳原子而形成的芳香 体系称为同芳香体系。 ② 双同方体系
如果有两个饱和碳原子存在的芳香环状体 系称为双同芳香体系。例如,以下体系可以看出 隔两个饱和碳跳跃一次。
O
S
N H
③ 富烯衍生物 富烯环外双键与环内两个双键可以形成共轭体
系,环上有5个电子,因此环外双键上的p电子流
向环内时,分子达到稳定的6 电子体系而有一定的 芳香性。
E2MN
富 烯
NMe2
6,6-二(二甲胺基)富烯©
④ 杯烯
杯烯是当环外双键的电子流向五元环时,五
元环形成六 电子体系。而三元环失去电子则成2
第四章 有机化合物的芳香性
一、芳香性含义
独特的化学反应性能:不饱和度高,难于发生加 成反应,易发生取代反应。 独特的热力学稳定性;
独特的光谱性质:能维持一个抗磁环电流(又叫
反磁环电流)的性能。
什么样的化合物具有芳香性?芳香性的化学物
的化学键有什么特点?产生芳香性的结构根源是什么? 这是本章要讨论的内容。
二、芳香性化合物的特点
(1) 较高的碳/氢比例 许多芳香族化台物都有较高
的碳/氢之比,如苯C6H6和萘C10H8。
(2) 键长的平均化 芳香性分子具有:双键比正常的碳
碳双键的键长(1.35Ǻ) 稍长;单键比正常的碳碳单键的键长 (1.54 Ǻ)稍短。苯环中六个碳碳键长彼此相等,均为1.395 Ǻ, 苯环中并无单键双键之分。
态分子的 电子优先占据成键分子轨道并把这些轨
道全都填满时,分子就是稳定的。
3
+
环丙稀正离子Ó
6
+1.41 +1.41 +2
4
+
3
+
4
+
5
+ +
6
+ +
这是由于反应中有键的参与形成了较为稳定的4
n+2双同芳香碳正离子C的结果。
TsO TsO
H
H
A
B
C

三同方体系 在适当的结构体系中,由子环丙烷的参与还
可形成三同环丙烯基碳正离子A。 三环酯与SbF5/SO2ClF在低温作用下生成了一 个离域的三同芳碳正离子B。
A
B
芳香性的概念的发展过程
最早应用于苯及其衍生物----- 随后扩展到
性。
① [10]-轮烯
即环癸五烯,具有三种异构体。A和C都不稳定,
B碳原子按类似萘的骨架排列,它的角张力最小,但
是两个环内氢原子的非键斥力严重地阻碍了环的稳
定性。 [10]-轮烯不显芳香性。
H H
A
B
C
全顺式
反-顺-反-顺-顺五烯
顺 -顺 -顺 -顺 - 反
[10]-轮烯不显芳香性,有人用架桥基取代 这两个环内氢(图D)能使分子变成平面分子体系。
规则,如果失去一个H-便可形成一个六 电子体 系,将会形成一个7中心6电子键,因此环庚三 烯正离子因含有4 n十2个电子而具有特殊稳定性。
H H
H
H
② 庚富烯
又叫亚甲环庚三烯,其环外双键与环内双键共
轭,环内得p电子流向了环外双键。
③ 环庚三烯酮 环庚三烯酮也是具有芳香性的稳定化合物
OH O O
7
+1.25 +2
8
+1.41 +1.41 +2
9
+35 +1.53 +2
图5.3 单环共轭体系的分子轨道能级图
+
+
+ +
+ +
环辛四烯真实存在的是船形结构,所以它是
非芳香性的,其中单键和双键的键长分别是0.146
nm和0.133 nm,它的反应性能与链共轭多烯相象。 分子的变形是以便反芳香性消失而成为非芳香性 分子。
[12]、[16]、[20]和[24]-轮烯都有预料的4n
电子体系特性和顺磁环流。它们都是一些反芳香
性的不稳定的化合物。
休克尔规则,键长相等,
分子具有芳香性。但它 的化学性质像多烯
四、反芳结构与同芳结构
1、反芳结构 ①用HMO法计算单环共轭多烯分子的轨道 能量比相应的直链共轭多烯高。 ② 所有的原子都在一个平面上,形成共轭体 系,因电子离域而更不稳定。 ③环中离域的电子数为4 n。
④ NMR显示出该体系具有顺磁环电流。它使
需要指出的是芳香性、非芳香性和反芳香性
等都是定性概念,无论是芳香性还是反芳香性的
特征表现越弱,它们也越接近非芳香性。
2、同芳结构 ①单同方体系 当环辛四烯溶解在氟磺酸中时,结合一个质 子生成环辛三烯正离子。NMR谱表明,8位上亚 甲基的两个质子的信号的值分别为4.87和10.73 (Hb处于去屏蔽区,值变大),这种差别表明
1.三元环
① 环丙烯正离子
H H H H H H
H
H
H
环丙稀正离子
H
环丙稀
60年代合成出了环丙烯正离子化合物,经过X-射线研 究证明这个碳正离子能够单独存在。键长几乎相等。它的性
质表明环丙烯基正离子确实是稳定的,这是一个最小的环状
芳香离子。
② 环丙烯酮
环丙烯酮是一种相对较稳定的化合物,可
以理解为羰基的极化为三元环,符合Hü ckel 规则。
H3C
CH3
H3C
CH3
③ 环辛四烯
离域的电子数为4n(8)的平面环辛四烯具
有反芳香性。一般情况下反芳香分子是很少存在
的,因一切分子总趋向于使自己的能量最低。因 此,具有4n电子的分子,力图使本身不成为平 面,以减少反芳香性。
8
+1.41 +1.41 +2
图5.6环辛四烯分子轨道电子排布
环外质子向高磁场移动。
① 环丙烯负离子
稳定的环丙烯正离子和很不稳定的环丙烯负
离子,下图可以看出前者2个电子填满在成健轨道,
属于芳香体系;而后者4个电子中有2个电子分别
排在2个反键轨道中,因而环丙烯负离子属于反芳
香体系。
3
+
3
+
环丙稀负离子
环丙稀正离子
② 环丁二烯 环丁二烯也有4个电子。属于4 n体系,它
H H H H
H H H

H
因此,通常把隔一个饱和碳跳跃一次为单同 芳体系;隔两个饱和碳跳跃一次为双同芳体系; 隔三个饱和碳跳跃一次为三同芳体系。 构成同方体系的两个重要因素为: ① 体系中电子数为4n+2; ② 有利于大 轨道重叠的几何形状。
邻基参与的本质其实就是由于同芳香体系的
形成。 例如,A要比相应的饱和类似物B快得多。
④ 薁
NMR研究证明薁具有抗磁环电流,因而有芳香性,
一般不发生加成反应,五元环是负的,七元环是正的, 可把它看成是环戊二烯负离子和环庚三烯正离子组合而 成。
3.(4n+2)轮烯
轮烯指含有交替的单键和双键的大环
多烯。共平面的(4 n+2) 轮烯具有抗磁外电
流,因此属于芳香性化合物, 但是,如果
环体系不在一个平面里。而表现出非芳香
了非苯芳香体系----- 休克尔4 n+2规则的发现和
应用-----核磁共振技术在芳香性判断上的应用---- 同芳香概念----- 芳香性概念扩大到三维空
间。
现代芳香性理论对阐明芳环结构的化学键本
质及与此有关的性质,乃至说明一些反应活泼中
间体(如碳正离于、碳负离子)的稳定性,都有极 为重要的意义。
电子体系,这一得和失都满足了休克尔规则得 要求。故杯烯具有芳香性。
⑤ 二茂铁
由两个环戊二烯负离
子和亚铁离子组成的具有 夹心结构的化合物,环戊
Fe
二烯负离子具有6个电子, 符合4n+2规则。二茂铁表
现出高度的稳定性和芳香
性。不易发生加成反应,
容易发生亲电取代反应。
3、七元环
① 环庚三烯
环庚三烯是一个不稳定的体系,根据Hü ckel
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