苯是
芳香族化合物的代表。它的环状共轭体系导致它有较大的稳定性。芳香性(aromaticity)的涵义也就是由于环状共轭体系而具有的特殊稳定性。
是不是具有芳香性的化合物一定要含有
苯环?
德国化学家
休克尔而从
分子轨道理论的角度,对
环状化合物的芳香性提出了如下的规则,即休克尔规则:一个
单环化合物只要具有平面离域体系,它的π
电子 数为4n+2(n=0,1,2,3,…整数),就有芳香性(当 n\u003e7 时,有例外)。其中n相当于简并的
成键轨道和非键轨道的组数。苯有六个π电子,符合4n+2规则,六个
碳在同一平面内,故苯有芳香性。而
环丁二烯,
环辛四烯的π电子数不符合4n+2规则,故无芳香性。
环多
烯烃(通式CnHn)又称作轮烯(也有人把 n≥10 的环多烯烃称为轮烯)。环丁烯,苯,环辛四烯和环十八碳九烯分别称轮烯,轮烯,轮烯和轮烯。它们是否具有芳香性,可按休克尔规则判断,首先看环上的
碳是否均处于一个平面内,其次看 π
电子数是否符合4n+2.轮烯环上碳原子基本上在一个平面内,π 电子数为 4n+2(n=4),因此具有芳香性。又如轮烯,π 电子数符合 4n+2(n=2),但由于环内两个氢原子的空间位阻,使环上碳原子不能在一个平面内,故无芳香性。
某些烃无芳香性,但转变成离子后,则有可能显示芳香性。如
环戊二烯无芳香性,但形成
阴离子后,不仅组成环的5个
碳在同一个平面上,且有6个π电子(n=1),故有芳香性。与此相似,
环辛四烯的两价负离子也具有芳香性。因为形成负离子后,原来的碳环由盆形转变成了平面正
八边形,且有 10 个π
电子(n=2),故有芳香性。
其它某些离子也具有芳香性,例如,环丙烯
阳离子(Ⅰ),
环丁二烯两价正离子(Ⅱ)和两价负离子(Ⅲ),
环庚三烯正离子(Ⅳ)。因为它们都具有平面结构,且π电子数分别位2,2,6,6,符合4n+2(n 分别位0,0,1,1)。
与苯相似,、、菲等
稠环化合物,由于它们的成环
碳都在同一个平面上,且π电子数分别为10和 14,符合Hückel规则,具有芳香性。虽然萘、蒽、菲是稠环芳烃,但构成环的碳原子都处在最
散逸层的环上,可看成是
单环共轭多烯,故可用Hückel规则来判断其芳香性。
与萘、蒽等稠环芳烃相似,对于非苯系的稠环化合物,如果考虑其成环
原子的外围π
电子,也可用Hückel规则判断其芳香性。例如,薁(蓝烃)是由一个五元环和一个七元环稠合而成的,其成环原子的外围π电子有 10 个,相当于
轮烯,符合 Hückel 规则(n=2),也具有芳香性。薁的偶极矩为3.335×10-30C·m,其中
环庚三烯带有正电荷,
环戊二烯带有负电荷,可看成是由
环庚三烯正离子和环戊二烯
阴离子稠合而成的,两个环分别有 6 个电子,所以稳定,是典型的非苯
芳香烃。
与Hückel体系共轭分子芳香性不同,若将Hückel体系共轭分子,以一个端点
碳为原点,把分子链上的其它碳原子,在共轭平面中作扭转,其结果恰好使另一个端点碳原子转动180°,然后,再将头尾两个碳原子相连,使之形成
单环共轭多
烯烃。在这类单环共轭多烯烃中,头尾两个碳原子的p轨道位相相反(或位相转换数为1)。这种体系叫莫比乌斯体系。在莫比乌斯体系中,若π
电子数为4n(n=0,1,2......),则形成稳定的闭壳层电子结构,分子稳定,具有芳香性。