芳香性
芳香性是一種化學性質,有芳香性的分子中,由不饱和键、孤对电子和空轨道组成的共軛系統具有特別的、仅考虑共轭时无法解释的稳定作用。可以将芳香性看作是环状离域和环共振的体现。一般认为在这些体系中的电子,可以自由在由原子组成的环形结构上运动(离域),这些环形结构含有单键和双键相间,离域的结果是环键的键级趋于均化,给予体系稳定作用。
芳香性的理論最初由凱庫勒發展出來,是以六元的苯分子为原型建立起来。理論中的苯有兩個共振形態,並有單键和双键相间,但理论上的两种苯(环己三烯)衍生物的这类异构体在实际上无法检测或分离出来,苯事实上是这两个异构体的“杂化体”,并且具有不考虑电子离域时无法解释的稳定性。
理論
右上圖中的雙箭頭於化學中代表共振的意思,但不代表該分子會變成那兩個形態,反而是指該分子處於該兩個形態的混合狀態。事實上,那兩個形態都不能代表分子實際的形態,但指出了電子大概的分佈。由此可見,分子真實的形態就是那兩個形態的融合,而它所發出的電磁波波長就是該兩個形態所發出的平均長度。
用組成π鍵的電子密度分佈的位置,來更準確地解釋就是電子分佈在分子的環的上、下。
歷史
凱庫勒最初在苯之中發現芳香性這特性,其後於1931年才有人以量子力學來解釋此現象。當年亦證實芳香性之中的π電子的數量必定是4n+2的定律,並肯定芳香族分子的環必定是平面的。而4n+2的概念亦和伍德沃德-霍夫曼規則有所相關。
芳香性化合物的特徵
被分類為芳香性的化合物通常有以下的條件:
- 有一些離域電子組成一些π鍵,並且令整個環系統可以當成單與雙鍵的組合;
- 给出離域電子形成π鍵的原子需處於同一個平面;
- 原子需組成一個環;
- 組成π鍵的電子總數需为 4n+2,即不是4的倍數的雙數(休克爾規則);
- 可進行親電芳香取代反應和親核芳香取代反應。
苯就是一個较好的例子,它適合以上所有條件,並且有6个離域電子(即n=1)。有4n+2个π電子的化合物通常都是芳香性的。環丁二烯只有4个離域電子,所以不屬於芳香性化合物。這些只有4n个π電子而又具近似平面结构的環狀化合物称为反芳香性化合物。
非芳香族的有機物就叫做脂肪族,脂肪族没有芳香族具有的特殊的共振稳定作用。在受到与平面垂直的外磁场作用时,離域的π電子环电流產生的感应磁场可将整个空间划分为屏蔽区与去屏蔽区,可在核磁共振结果上显示出来。
在商業中最重要的芳香化合物就是苯和甲苯,每年產量極高。從石油中得到的苯和甲苯可用來做其他極有用的日用品材料,包括苯乙烯、苯酚、苯胺及尼龍。