高等有机化学-第2章-芳香性.

第二章芳香性及芳香性化合物2.1芳香性化合物的特点2.2苯的结构和共振结构式2.3芳香性的依据2.4芳香性化合物2.5反芳结构2.6同芳结构2.7稠环芳性2.1芳香性化合物的特点较高的碳/氢比例。（高度不饱和性）键长平均化。芳香性分子的碳碳键长处于1.36Å和1.43Å之间。苯环中六个碳碳键长彼此相等，均为1.395Å，环中无单键和双键之分。分子的共平面性。芳香性总是伴随着一定程度的平面性。如苯环的六个碳原子和六个氢原子都在一个平面内。18-轮烯是近乎平面的，有芳香性；16轮烯是非平面的，无芳香性。共轭能。芳香性化合物都有相当大的共轭能(离域能)，因此把芳香性和分子能量较低这一性质联系起来了。特征光谱。芳香体系的振动光谱和电子光谱与脂肪族体系及简单的共轭体系有明显的差异。如苯环的紫外光谱上有184nm，202nm(K带)和254nm(B带)三个特征峰；红外光谱上分别在3000-3100,1600,1500,1000-1100cm-1等区域及指纹区有特征峰。1H-NMR谱上则是芳香性分子表现出特殊现象的最明显标志，如苯环质子的δ在7.27，而环己烯上的烯质子的δ在5.58。化学性质。具有芳香性特征的分子都是一些具有特殊稳定性的结构不易破坏的环状化合物，很难发生加成反应，一般仅发生取代反应。归纳起来，芳香性的表现主要有三点：1.独特的化学反应性能；2.独特的热力学稳定性；3.独特光谱性质（主要表现在NMR谱）。2.2苯的结构和共振结构式苯具有平面正六角形结构，每两个相邻碳原子之间的距离是一样的，分子中每个碳原子都以sp2杂化轨道分别与一个氢和两个碳以σ键结合，三个键之间的夹角都是120°。每个碳还剩下一个p电子，处于和苯环平面相垂直的p轨道上，这六个轨道相互重叠发生离域。由于苯分子的对称性，电子云平均分布在整个环上，形成一个连续不断的大键。2.3芳香性的判据实验上判断一个化合物是否具有芳香性，主要是用NMR测定有关分子的化学位移。当一个芳环受外界磁场的作用后，使芳环封闭的电子体系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、并与环平面垂直的磁场，使环外质子的化学位移移向低场（即有较大的化学位移δ），因此把芳香性看作是能维持一个抗磁环电流（也有叫反磁环电流）的性能。也可利用键长的测定结果判断芳香性。一般说来，芳香性分子的键长在0.138~0.140nm之间，并且沿环周围的键长非常均匀。用量子化学方法对芳香性作出判据的理论主要有以下几个：REPE理论：这是运用Hückel分子轨道理论计算了几十个环状多烯烃的单个电子共轭能(REPE)后得出的结论。即REPE大于零的化合物是有芳香性的（即热稳定性高于相应的非环共轭体系）；而REPE约等于零的体系是非芳香性的，小于零的体系是反芳香性的。从REPE正值的大小能比较判断芳香性的强弱，是半定量性的理论指标。单环共轭烯烃的REPE值与π电子数的关系图二倍原则：环状共轭多烯烃中，电子数恰好等于其成键轨道数二倍的那些化合物将是有芳香性的。二倍原则的理论基础也是Hückel简单分子轨道法。Hückel的4n+2规则：在芳香性理论中，Hückel的4n+2规则起着非常重要的作用，其内容为：在由sp2杂化碳原子组成的平面单环体系中，含有4n+2个电子的体系将具有与惰性气体相类似的闭壳层结构，从而显示出芳香性。扩展：少数是sp杂化碳原子参与共轭！注意：该规则具有较好的普遍性，但针对具体化合物时还需要考虑“角张力和非键张力大小”等因素！这一规则是根据Hückel分子轨道理论推演出来的，是评价芳香性的一个最为成功的基本规则，即完全共轭的平面单环体系，其电子数为4n+2(n=0,1,2,···)时，具有芳香性。芳香环内电子的特征是现代芳香性理论的基础。实验表明：含有2，6，10，14和18个电子共轭的单环烯烃分子具有不同程度的芳香性，但含有22个电子者其芳香性极其微弱，含有26个以上电子的单环烯烃则完全无芳香性。（因π电子数超过22个的单环多烯烃其最高成键轨道能级和最低反键轨道能级都逐渐向原子轨道能力逼近，二者差别越来越小；另一方面，随环的增大，环的共平面性愈困难。）Huckel的4n+2规则仅适用于0n5的范围，且只能说明芳香性的有无，不能说明芳香性的大小。关于Hückel的4n+2规则：α+2βα-2βα-1.62βα+2βαα+0.62β一些环状共轭多烯的分子轨道能级轨道数能级α-β3α+2β45α+2βα-2βα+β轨道数能级α-β67α-1.80βα+2βα-0.45βα+1.25βα+2βα-2βα+1.41β轨道数能级α-1.41β89α-1.87βα+2βα-βα+0.35βαα+1.53βα-βα+βα-1.414βα+1.414βα-1.618βα-0.618βα+0.618βα+1.618βαα-1.732βα-βα+βα+1.732βαα-1.802βα-1.237βα+1.247βα+1.802βα-0.445βα+0.445β轨道数n=2n=3n=4n=5n=6一些直链共轭多烯的分子轨道能级•按HMO法，因为β是负值，α是原子轨道能量，所以轨道能量为α+xβ者，其能量比原来的原子轨道能量低，称为成键轨道。能量为α-xβ和α者，则分别为反键轨道和非键轨道。•基态时，电子优先进入能量低的分子轨道。根据洪特规则，若有两个能量相同的轨道(简并轨道)，电子倾向于占有尽量多的分子轨道。在不同的环体系中，显然只有4n+2个电子才是填满成键轨道的体系。具有4n个电子的体系，则由于肯定有电子进入反键或非键轨道，即处于较高能量状态，而呈现反芳香性或非芳香性。•苯的6个电子分别填入所有的三个成键轨道，而环丁二烯中的4个电子则填入一个成键轨道和两个非键轨道。•在应用4n+2规则时要注意的是：所讨论的单环体系必须是平面或接近平面的，这样电子的离域才有效。一、六电子芳香结构：具有六电子结构的芳香性化合物，其芳香性较强，较为稳定。具有六电子结构的环可以是六元环，也可以是五元环或较大的环。除中性分子外，还包括一些碳正离子或碳负离子。其共同特点是含有六电子的芳香大键。（一）六元环2.4芳香性化合物N苯吡啶(二)五元环1.五元杂环电负性ONS，故芳香性以呋喃最弱，噻吩最强，而双烯特性则相反。6.422.90O6.307.40S7.047.19NH6.056.627.70S(O)SOOO(O)S呋喃噻吩吡咯环戊二烯（无芳香性）二氧化噻吩（失去芳香性，具有双烯特性）氧化噻吩（芳香性大幅度减弱）......2.富烯（即：亚甲环戊二烯）衍生物环外双键和环内双键可形成共轭体系。环上有5个电子，因环外双键上的p电子流向环内使分子达到稳定的六电子体系而有一定芳香性。NMe2Me2N6,6-二(二甲胺基)富烯,偶极矩为18.01╳10-30C·m富烯,偶极矩为3.669╳10-30C·m或杯烯当环外双键的电子流向五元环时，五元环形成六电子体系，而三元环失去电子成二电子体系，符合休克尔的4n+2规则(n=1和0)而具有芳香性。能发生亲电取代反应，如溴化和硝化，有的偶极矩很大。HHH3.环戊二烯衍生物环戊二烯酸性很强，它的pKa为16.0。因环戊二烯负离子有六个电子而具有芳香性。环戊二烯环戊二烯负离子LiFe环戊二烯基锂二茂铁具有高度的稳定性和芳香性。将其加热至500℃也不分解，易发生亲电取代反应。它的结构是对称性的，在NMR谱上只有一个峰。（其芳香性比苯还强。有更大的倾向进行亲电取代反应而不进行加成反应。）(三)七元环环庚三烯正离子盐如它的溴化物具有芳香性。环庚三烯失去氢负离子，使C-7成为sp2杂化，形成六电子体系。（6个双键π电子与第7个碳原子的空轨道重叠，形成一个包括7个碳原子的6π电子体系）HHBr环庚三烯环庚三烯正离子的溴化物CHHCCNCN庚富烯8，8-二氰基庚富烯环内的p电子流向了环外双键的碳原子，七元环因失去电子趋向形成六电子体系而稳定。OOOH环庚三烯酮环庚三烯酚酮环庚三烯酮和环庚三烯酚酮都是稳定的具有芳香性的化合物，因为七元环把电子给了电负性大的氧而形成六电子体系。12345678薁NMR证明薁具有抗磁环电流，因而具有芳香性，可以把它看成是环戊二烯负离子和环庚三烯正离子组合而成。它很易发生亲电取代反应，取代位置首先在1位和3位。4位和8位可发生亲核取代反应。0.4540.8700.6390.9860.4290.8550.4820.6640.5860.4010.4201.0471.1730.4800.1491.0270.5960.65612345678二.不具六电子芳香结构(一)二电子体系HHHHHHHHHH环丙烯分子中的2个电子定域在两个碳原子之间，无芳香性，但环丙烯正离子的2个电子则离域在由三个碳原子组成的共轭体系中，构成芳香大键。环丙烯正离子为正三角形，键长都是0.140nm，NMR谱图上只有一个单峰。环丙烯环丙烯正离子或OO环丙烯酮由于氧的强吸电子作用，使环丙烯基1个p电子拉向氧，形成具有二电子芳香体系。或环丙烯酮H3CClH3CCH3CH3ClSbF5SO2H3CH3CCH3CH3H3CH3CCH3CH3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。PhPhPhPhRFe(CO)3(二)（4n+2）轮烯四苯基环丁二烯双正离子（因正离子分散在苯环上而更稳定）络合物（铁原子从环丁二烯分子中接受两个π电子。具有芳香性）轮烯一般是指含有交替的单键和双键的大环多烯。共平面的(4n+2)轮烯具有抗磁环电流，依次属于芳香性化合物，但如果环体系不在一个平面内，则环电流降低甚至消失，而表现出非芳香性。HH[10]轮烯，角张力大，不稳定（角必须是144°，比sp2键角需要的120°大得多。）[10]轮烯，两个环内氢原子的非键张力大，不稳定（键角是120°，但1和6位的氢互相干扰，并把分子挤出平面。）HHHH-0.516.957.211，6-亚甲基环癸五烯，有明显的芳香性。（中间2个碳原子用桥连接起来！）同样地，含氧和含氮类似体，是稳定的化合物，也具有芳香性。HHHHHHHHHHHHHH1234567891011121314[14]轮烯。3,6,10,13C原子有点偏离平面，有芳香性HHHHHHHHHHHHHHHHHH[18]轮烯，有芳香性2.5反芳结构有些分子或离子会由于电子离域而变得更不稳定，这种由于电子离域而相当大地使能量升高的体系称为反芳香性体系，如环丙烯负离子和环戊二烯正离子即属于这种情况。环中离域的电子数为4n时，都是反芳香性的。对反芳香性的实验判断，就是NMR显示出该体系具有顺磁环电流，它使环外质子向高磁场移动，即具有低的化学位移。船形的环辛四烯，非芳香性平面的环辛四烯，反芳香性[12]轮烯，具有反芳香性，它不稳定，自发地在环内成键而成双环。[16]轮烯、[20]轮烯、[24]轮烯，都是反芳香性的。一般情况下反芳香性分子是很少存在的，因为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。比如环辛四烯呈船形，足以使反芳香性消失而成为非芳香性分子。2.6同芳结构同芳香性是指一个或两个Csp3所隔开的环状体系，其分子的几何形状允许p轨道超越隔离间隙进行有效重叠，且电子数符合4n+2规则而具有芳香性。由此而产生芳香性的结构，叫做同芳结构。环辛四烯在强酸溶液中，它结合一个质子生成环辛三烯正离子。NMR测得亚甲基的两个氢的化学位移δ值分别为-0.73╳10-5(Ha)和5.1╳10-5(Hb)，这种差别表明有抗磁环电流的存在。sp2杂化的C-1和C-7在空间很接近，它们未参加杂化的p轨道之间能越过空间而相互作用(尽管这种作用很小),这样就形成了一个包括七个碳原子的环状六电子体系，C-8的sp3杂化的CH2，处于该六电子体系平面的外面。HHHHH12345678ab172KHH双环[6,1,0]壬-2,4,6-三烯与钾作用，