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  • 1 # CampNou之魂

    在化學上,芳香性是由於π電子的離域而導致體系的的穩定性,在基態下,它們的π電子佔據並充滿能量低的成鍵軌道,有的也充滿非鍵軌道。所以,它們具有穩定性。

    一個化合物是否具有芳香性,休克爾發現:如果一個單環化合物只要它具有平面的離域體系,並且它的π電子數為4n+2(n=0、1、2……整數),就具有芳香性,式中的n相當於簡併成對的成鍵軌道或非鍵軌道數(簡併成對是指同一能量水平且成對出現的軌道,如果不清楚成鍵軌道和反鍵軌道,詳見無機化學)。這就是休克爾規則。

    接下來我們來看π電子數和n如何確定,通常我們把環多烯通式定義為CnHn,所以,常見的苯環C6H6就是環多烯的一種。當環多烯所有碳原子處在一個平面上時,每個碳原子都有一個垂直於平面的p原子軌道,這些軌道就可以組合成分子軌道,如圖所示

    我們把這些軌道用各種正多邊形來表示,其中每個頂角位置都相當於一個分子軌道能級,越低就說明能量越低,非鍵軌道以下為成鍵軌道,非鍵軌道以上為反鍵軌道。非鍵軌道相當於未成鍵的原子軌道。

    從圖中可看出,當環上的π電子為2、6、10、……,就符合4n+2規則。例如,苯含有六個π電子,基態下六個π電子都佔據能量低的成鍵軌道,代入公式,可得n等於1,符合規則,由圖中可知,苯環也確實只有一對成鍵軌道數。

    再看環丁二烯,環丁二烯透過計算不符合休克爾規則,沒有芳香性,但是它有一對簡併軌道,基態下,它的其中兩個π電子,佔據能量最低的成鍵軌道,還有兩個電子分別佔據一個非鍵軌道,換句話說,按照洪特規則,這是一種半充滿狀態,這是非常不穩定的,實驗也確實證實,環丁二烯只有在溫度很低的條件下存在。

    透過以上例子可看出,充滿簡併成鍵軌道和非鍵軌道的電子數正好為4倍,充滿能量最低的成建軌道要兩個電子,這就是4n+2數目的合理性。

    通常環多烯化合物π電子數的計算公式除了看分子軌道圖,還可以透過公式計算,π電子數=環中碳原子數+負電荷數(-正電荷數)

    簡單介紹休克爾規則,如果感興趣詳見有機化學多環芳烴。

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