芳香性

1.本文为关于芳香性的简介科普性质的文章。会分为几期发出，本文为第二期，论述杂环芳香化合物，多环芳香化合物，芳香性离子。第一期在这里https://www.bilibili.com/read/cv1900594

2.本文为完全原创，部分图片来自wiki百科，有机化学教科书。禁止随意转载，转载请私戳我，我发word文档。

3.本文并不是完全的科普文，某些知识性可能较深。对于内容较多的部分，仅以典型化合物为例。

4.教科书中有的反应本文不再赘述，所以本文可能不适用于考试复习。本文侧重点很多是凭我的兴趣写的，有些不出现于教材但有趣的知识。

5.本文工作量极大，基本上等于一篇小的综述，请多多支持，三连+关注谢谢www

有可能下一期就断更了，且行且珍惜。

杂环芳香化合物

  杂环芳香化合物是指：成环的原子中除了碳原子还含有其他原子的，有芳香性的化合物。

  根据休克尔定则，芳香性取决于环内共轭电子的电子数，而非原子数和原子种类，所以在满足合适的结构时，含有杂原子的环也能够产生芳香性。

  杂环芳香化合物的种类是非常多的，这些化合物构成了一个庞大的体系，广泛存在于自然界和人们的生活中。

  以下简单介绍一下几个常见的杂环体系和其衍生的结构：

六元杂环芳香化合物——吡啶：

  吡啶是最早由化学家托马斯·安德森于1849年在骨焦油中发现，并在两年后通过分馏得到纯品，并根据其易燃的特性，对其命名为pyridine （pyr意为火）[1]。

  吡啶是一种高度易燃的，具有恶心臭味的无色液体。从结构上讲，吡啶是将苯环的一个C-H替换成N的产物，分子中，N原子SP2杂化，分别与两个碳原子参与成键，孤对电子占据一个杂化轨道。剩下一个电子占据未杂化轨道进入大π键，形成6电子的环状体系，根据休克尔定则，吡啶有6个π电子，6=4*1+2，吡啶环呈现芳香性。同时，由于孤对电子占据一个杂化轨道而未参与π电子的构成，所以吡啶仍然具有一定的碱性。但是由于芳香环的影响，吡啶的碱性弱于一般的脂肪胺（图2）。

  从分子轨道的角度上分析，由于N原子的加入，因为N原子的轨道能量低于C原子，故吡啶环的LUMO（最低未占据轨道）和HOMO（最高占据轨道）轨道能量都较苯的相应轨道能量降低，带来的影响是：相对于苯，吡啶难于被正离子进攻（难以发生亲电取代），但易于被负离子进攻（易发生亲核取代）[31]。当吡啶的氮与过氧化物作用，生成吡啶氮氧化物时，氧原子的电子可以共振到吡啶环上，这样吡啶就变得容易发生了亲电取代。见下图（图3）：

  N原子上的孤对电子使得吡啶具有碱性与亲核性，能够与酸成盐，和卤代烃形成季铵盐。同时可以作为配体，存在于各种配位化合物中，在生物体中存在许许多多含有吡啶基团的化合物，这些化合物在身体中发挥着重要的作用。

  当吡啶的N原子带上正电荷之后，整个吡啶环会处于一个不稳定状态，具有很强的氧化还原活性，容易失去芳香性形成二氢吡啶衍生物（图4）。

  NAD+/NADH是在生物体中广泛存在的一种物质，就是高中生物书中的，在电子传递链（有氧呼吸第三步）中出现的“还原氢”。它具有烟酰胺（吡啶-3-甲酰胺）的结构，不同的是N原子带上了正电荷，这让它具有了很强的氧化还原活性，能够起到传递电子的作用（图5）[3]。

  百草枯是1,4-联吡啶的双甲基季铵盐，能够在植物的光合作用光反应过程中接受电子，干扰电子的正常传输，并将电子传递给氧气形成超氧自由基，从而破坏植物体组织，达到除草的目的（图6）[4]。

吡喃鎓  

  将吡啶的氮原子替换为氧原子，形成的化合物叫吡喃鎓类化合物，由于氧原子的价键的原因，其氧原子上自然带上了正电荷。这赋予这类化合物很高的反应活性。这类化合物在许多植物中以植物色素的形式存在（图7）（图8）。

五元杂环芳香化合物

  如果将环的原子数从六个缩减为五个，那个这样的化合物还能有芳香性吗~

  有~

  利用氮原子的孤对电子对与4个碳的p电子形成6电子体系，可以形成五元环6电子的芳香体系：吡咯。由于N原子的孤对电子进入了π电子体系，所以吡咯和吡啶不同，它不具有碱性，反而氮原子上的氢原子具有酸性。

  由于吡咯的N的孤对电子对进入π电子体系，导致整个π电子体系电子密度升高，所以吡咯的反应活性比苯环和吡啶高得多，甚至在酸的作用下，吡咯能够自发的聚合（图9）。

  同样的反应还发生在将N原子换成O原子（呋喃）和S原子（噻吩）的情况。

  五元环的芳香化合物除了拥有芳香化合物的性质外，还拥有活泼的不饱和化合物的反应，能够发生开环，氢化，DA反应的常见的不饱和化合物的反应。

  和六元杂环芳香化合物一样，吡咯等五元杂环芳香化合物在生物体中和自然界中有着神奇的存在。自然界中的叶绿素和血红蛋白等物质都含有一个特殊的大环芳香环：卟啉环。卟啉环是一个高度共轭的体系，通过在卟啉中嵌入金属，可以得到一系列卟啉化合物。这类化合物有着神奇的性质，他们是组成一些生物大分子的基础。

  人体血液中运载氧气的结构是血红蛋白，每个血红蛋白核心为4个血红素分子。在血红素中，Fe2+离子位于卟啉环的中心位置，由于离子半径的原因，Fe2+离子无法完全嵌入卟啉环，在与氧气配合后，Fe的部分电子转移到氧原子上，形成Fe3+离子和超氧负离子自由基O2-。。由于离子半径的原因Fe3+可以完全嵌入卟啉环，这一改变同时会带来整个血红蛋白分子构型的改变，引发一系列连锁作用，促进另一个血红素分子吸收氧气（图10）[7]。

  叶绿素是光反应的核心分子，由卟啉环络合Mg离子构成。在光反应过程中，叶绿素接受裂解水得到的电子，并被光激发，起到传递电子的作用，电子最终传递给辅酶NADP，并产生NADPH（还原氢Ⅱ），供暗反应所用（图11）。

  同样，许许多多的杂环芳香化合物在生物体中有着广泛的存在，这些结构构成了自然界，生物体，也在生活中发挥着重要作用（图12）。

多环芳香化合物

  多环芳香化合物是指有多个不包含杂原子和取代基的芳香环构成的芳香性化合物。包括由多个苯环由单键连接而成（联苯类化合物）的化合物和多个苯环并合而成（稠环类化合物）的化合物。

  最简单的稠环芳烃是萘。结构上类似于两个苯环并合在一起的结构。萘是一种无色片状晶体，具有煤焦油的臭味，易升华。

  萘虽然从结构上可以认为是两个苯环并合而成，但是和苯环不同，萘的结构中的键长并不完全相等。从萘的共振式上来看，萘是一个苯环合并一个二烯的结果。而这个结果也导致了萘和苯环的性质不尽相同（图13）。

  萘有两个反应位点α位和β位，其中，α位的反应活性高于β位，从分子轨道的角度上来讲，α位比β位电子密度高，从共振式的角度来说，α位的亲电取代中间体的正则共振式比β位的多，因此更稳定（图14）。

  更多的稠环芳香化合物有着与萘类似的性质，随着环的增多，共轭体系增大，芳香化合物的颜色会逐渐变深（图15）：

   产生颜色逐渐变深的原因是因为随着共轭电子数的增加，化合物HOMO-LUMO之间的轨道能量差越来越小，吸收光的频率越来越长。从视觉上看，其补色越来越深。同时由于π电子体系的增大，高等的稠环芳香化合物的电学性质，光学性质上的特殊性也逐渐增强。

  并五苯作为有机场效应晶体管的空穴迁移率高达5.5 cm2/(V·s)，超过了非晶硅，具有很好的应用前景。[9][10][11] 含有并五苯结构的聚合物在聚合物LED等领域有很广泛的应用（图16）。

  这里提及一个有趣的理论：稠环化合物的结构可以通过一个Clar规则进行判断：稠环芳香烃中，拥有最多的完整苯环的共振式贡献最多。这已经得到计算化学（NICS）的验证（图17）[14]。

  多环芳香烃往往拥有一定的毒性和致癌性。以大名鼎鼎的苯并[α]芘为例。苯并[α]芘通过在细胞中发生氧化作用生成高度致癌的环氧二醇衍生物~后者与DNA中的碱基通过π-π相互作用而结合，干扰基因的正常表达从而引发肿瘤和癌症（图18）（图19）[15][16]。

联苯型芳香化合物

  与稠环的芳香化合物不同，联苯型的芳香族化合物性质有很大的不同。

  以最简单的联苯为例，联苯的两个苯环并不是平面的而是成一定的角度。（平衡角度为44.4°）经计算，无论是0度共平面还是90度垂直都有一定的能垒(能垒实验值0°=6.0 kJ/mol，90°=6.5 kJ/mol)。虽然在联苯本身中这个能垒并不大，但是仍然存在（图20）。

  在2,2’-二甲基联苯中，由于甲基的存在，能垒大大的增加（72.8 kJ/mol）[18]。

  更大位阻的情况会出现因为转动阻碍引起分子出现手性（图21）。

  同样的情况还有六苯基苯（图22）六苯基苯的六个苯环呈现桨型分布，与中心环的夹角大约为65°（图23）[20]：

  这种能垒的差别在很大时甚至可以导致芳香环的高度扭曲：

  如图的化合物由于高度拥挤的结构，两端扭曲143.6°，每个苯环分别扭曲30°, 30°, 27°, 29°, 27°，度。该化合物的旋光度高达7400°（图24）[21]。

  回到休克尔定则，稠环芳香烃对于休克尔定则来说并不是完全适用的：因为休克尔定则只限制于单环的体系，对于多环的体系理论上并不适用（图25）。

   Platt提出，环中心的交联键只会对共轭体系产生小的微扰，因此可以认为利用周边的π电子计算芳香性。但这种方法有一定局限性，只在中心桥键不参与周边双键共轭时才能使用（图26）[22]。

  同时，还存在几种修正方法，但这些方法都不太完善。总之，不同的稠环芳香化合物具有不同的结构与独特的情况，其芳香性这必须结合化合物进行讨论。

芳香性离子

  根据休克尔规则，芳香性的判定决定于电子数。因此，不只是化合物，带电荷的离子在满足休克尔定则的时候，也能够具有芳香性。

环丙烯正离子

  环丙烯正离子相当于休克尔定则中n=0的情况，从休克尔轨道法计算的话，环丙烯正离子中存在一个2pz空轨道和两个占据电子的2pz轨道相互重叠，形成3中心-2电子的封闭体系，它应该是稳定的。

  第一个制得的环丙烯化合物是三苯基环丙烯正离子。1957年，Breslow通过二苯乙炔和苯基重氮乙腈发生卡宾插入反应得到氰基三苯基环丙烯，在****处理下脱去氰基生成第一个三苯基环丙烯正离子盐（图27）[23]

  裸露的环丙烯正离子的氟硼酸盐是在常温下稳定存在的晶体，易溶于有机溶剂，红外光谱显示有四条谱带(D3h，或者理解为正三角形对称性的特征)，核磁共振显示其在δ=11的位置存在单峰，处于极低场，这说明正电荷均匀的离域化。这无疑说明了其具有芳香性。

  环丙烯碳正离子能够发生一些与苯环类似的反应：包括发生类似傅克烷基化反应。同时，它又具有碳正离子的特征：能与亲核试剂反应。这都能够说明它是一个正电荷离域的芳香性碳正离子（图28）。                                            

环戊二烯负离子

  同理，五元环的环戊二烯环如果得到一个电子，变成环戊二烯负离子之后也应具有芳香性。环戊二烯本身是一种极为活泼的物质，和所有多烯烃一样具有易加成易聚合的性质（环戊二烯本身就是以二聚体的形式出售，在实验室中，使用前通过加热解聚来制备）。

  但是，环戊二烯相对于其他碳氢化合物来说，具有极高的酸性（pKa=16和乙醇类似），这个反常的特征就可以用其去质子化之后能够形成芳香性的物种来解释。事实上，早在1901年，Thiele用金属K在苯中处理环戊二烯，使之脱去一个H+离子得到了环戊二烯的钾盐。

  环戊二烯负离子的红外光谱符合D5h对称特点，核磁共振表明，其在δ=5.57处有一个单峰，说明其具有一定的芳香性，负电荷均匀的离域在各个碳原子上。这个负离子可以与各种亲电试剂反应如下图，得到的产物为环戊二烯衍生物同时失去芳香性，由于产物失去了芳香性，产物往往会聚合（图29）。

  值得注意的是，重氮化环戊二烯意外的是一个稳定的化合物~甚至可以蒸馏，能够进行各种芳香亲电取代反应。该化合物可以共振成一个环戊二烯负和重氮正的偶极的形式。这也从一定程度上上反应了环戊二烯负离子的芳香性（图30）。      

   环戊二烯负离子最为让人注目的是其与过渡金属形成茂金属的能力。

  1951年，杜肯大学的 Pauson 和 Kealy利用环戊二烯格氏试剂和三氯化铁反应，期望得到富瓦烯，但是以外得到了一种黄色固体。这种黄色固体很稳定，加热到400oC以上也是稳定的。在通常的有机溶剂中可以溶解。它的蒸气压很高，可以升华提纯，也可以水蒸气蒸馏出来（图31）。

    他们认为二茂铁是如下图上部所示的化合物（图32上）[24]。

  之后，R. B. Woodward和威尔金森通过XRD技术成功解出二茂铁为夹心配合物（图32下）的结构，铁原子夹在两个平行的五元环中间，两个五元环相隔340pm，环上所有碳碳键是等长的144pm[25]。

  二茂铁中心铁原子的氧化态为+2，每个茂环带有一个负电荷。因此每个环含有6个π电子，符合休克尔规则中4n+2电子数的要求（n为非负整数），每个环都有芳香性。同时每个环的6个电子，再加上二价铁离子的6个d电子正好等于18，符合过渡金属配合物18电子规则，因此二茂铁非常稳定（图33）。

  二茂铁具有芳香化合物的显著特征：与亲电试剂发生取代反应。如下图，二茂铁的衍生物很多是重要的工业原料。同时，二茂铁中心的铁原子也能参与反应，例如可以被硝酸氧化为蓝色的二茂铁正离子。这个离子可以作为氧化剂，并在有机电化学研究中发挥作用（图34）[26]。

    二茂铁在化学上有很广泛的应用：广泛应用于有机反应配体，材料科学等领域（图35）（图36）。

  此外，二茂铁还可以用于石油工业汽油抗爆震[28],抗疟疾药物[29],聚合物药物[30]

环庚三烯正离子

  1891年，Merling在研究环庚三烯与溴反应的时候，得到一种不溶于醚的物质，但是他并没有判断出这个物质的结构，直到1954年，才有人指出这个物质是一个离子化合物，含有环庚三烯正离子，这个离子具有6个π电子而稳定[23]。从核磁共振与红外光谱都可以证明其的芳香性。环庚三烯正离子的盐通常是熔点很高的晶体，溶于极性溶剂，化学性质上具有碳正离子的性质（图37）。

  在质谱研究中常常出现的m/z=91的单峰即为环庚三烯正离子的峰，与苄基正离子互变异构（图38）。

总结

  一路走来，不但是苯环，含有杂原子的，多个环体系的，带电荷的离子都可以具有芳香性，而在这纷繁复杂的化合物分子和离子之中，休克尔定则在背后主导这一切，这让我们再次的感慨休克尔的伟大理论。而随着化学的发展和进步，休克尔定则的作用，也体现在越来越多的地方，开拓出一个又一个领域。

未完待续

致谢

mokou参与了部分图片绘制和校对，在此深表感谢(u‿ฺu)

参考文献

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[28] Archived from the original (PDF) on 2006-05-05.

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[31]J.Clayden, N.Greeves, Organic Chemistry 2nd Edition.

下期的内容是关于轮烯及衍生的周边环体系的芳香性~