今天来聊聊化学中超级迷人的芳香烃, 它在有机化学的舞台上,那可是占据着 C 位,有着举足轻重的地位呢!
一,芳香烃的前世今生
在有机化学刚起步的时候,芳香族化合物指的是从植物里提取出的有芳香气味的物质,像从安息香胶里得到的安息香酸,从苦杏仁油中提取的苯甲醛等。但现在我们知道,多数芳香族化合物可没啥香味,“芳香” 这个词更多是习惯沿用啦。1865 年,德国化学家 F.A. 凯库勒提出了苯的环状结构式,也就是含有三个共轭双键的六元环,凯库勒式的诞生,为我们认识芳香烃打开了一扇大门。1872 年凯库勒还假定苯环中的双键不固定,双键和单键位置迅速变换,不过这对于苯不易发生烯烃那种加成反应,解释得还不够到位。到了 1931 年,美国化学家 L. 鲍林提出苯是两种凯库勒式的共振杂化体,苯的碳碳键是介于双键和单键之间的特殊键,苯分子其实只有一种结构。1936 年,德国物理化学家 E. 休克尔理论推测,平面环状共轭体系中,π 电子数为 4n + 2 时具有芳香性,4n 时则没有,后续实验也证实了他的推测。
二,芳香烃的独特结构
苯作为芳香烃的母体,分子式是 C₆H₆ 。凯库勒从苯的分子式以及一元取代物只有一种(说明六个氢原子等同)的事实出发,提出了苯的环状结构,认为苯环中碳碳双键与碳碳单键交替相连,这就是凯库勒式。但现在更贴合真实苯环结构的是鲍林式,也叫现代苯分子结构式。在鲍林式里,苯分子的六个碳原子与六个氢原子处于同一平面,形成平面正六边形结构。每个碳原子采用 sp² 杂化,所有碳碳键键长相等,连接成六元环。每个碳原子余下的 p 轨道垂直于苯环所在平面,相互平行重叠形成大 π 键 。苯分子中所有碳碳键键长均为 0.139nm,比单键短,比双键长,而且六根碳碳键上的电子云密度完全一样。所以,苯分子结构是两种 1,3,5 - 环己三烯共振结构的共振杂化体。从分子轨道理论来讲,苯中的 6 个碳原子均为 sp² 杂化,每个碳原子还有一个垂直于六元环平面的 p 轨道,每个 p 轨道与其相邻的两个 p 轨道侧面交盖重叠,发生离域形成连续不断的大 π 键 。这样一个完全对称的 σ 骨架加上 6 个 π 电子均匀分布,造就了苯分子规整的六元环。
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