浅谈环状化合物芳香烃的判断方法12031106何英杰轻化工程一班.docVIP

浅谈环状化合物“芳香烃”的判断方法何英杰 轻化工程一班 摘要：芳香烃简称“芳烃”，通常指分子中含有苯环结构的碳氢化合物。是闭链类的一种。具有苯环基本结构，历史上早期发现的这类化合物多有芳香味道，所以称这些烃类物质为芳香烃，后来发现的不具有芳香味道的烃类也都统一沿用这种叫法。例如苯、萘等。苯的同系物的通式是CnH2n-6（n≥6）。”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. 一．“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 sp2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： 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。 二．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 sp2杂化形式出现,其轨道表示为： 其中 3个 sp2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*原子以 3个 sp2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 sp2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 sp2杂化的碳原子数. 如: C4H4环丁二烯有 4个 sp2杂化碳原子, 所以π电子数为“4”, C6H6苯有 6个 sp2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 sp2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 sp2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 ?电子数的计算及芳香性判断 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 ?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. 若要化合物中几个原子共平面, 则每个成环原子均须采用 sp2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 sp2杂化。氧原子 sp2杂化轨道表示式为: 或许有人要问, 为什么氧原子的 sp2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 sp2杂化轨道须有 2个 sp2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