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休克爾規則是有機化學的經驗規則。它是指當閉合環狀平面型的共軛多烯(輪烯)π電子數為4n+2時,具有芳香性。該規則的量子力學基礎在1931年由物理化學家休克爾(Erich Hückel)公式化並提出。4n+2規則的簡潔表述在1951年由馮·多林(von Doering)提出,雖然幾個作者當時同時使用了這種表達方式。

1具體內容

規則表明,對完全共軛的、單環的、平面多烯來說,具有(4n+2)個 π電子(這裡n是大於或等於零的整數)的分子,可能具有特殊芳香穩定性。
小例

  小例

隨著磁共振實驗方法的出現,對決定一化合物是否具有芳香性起了重要的作用,並對芳香性的本質有了進一步的了解。因此芳香性更廣泛的含義為:分子必須是共平面的封閉共軛體系;鍵發生了平均化;體系較穩定(有較大的共振能);從實驗看,易發生環上的親電取代反應,不易發生加成反應;在磁場中,能產生感磁環流;從微觀上看,π電子數符合4n+2規則。

2作用

標誌
分子具有芳香性的標誌是:
(1)這類化合物雖有不飽和鍵,但不易進行加成反應,而與苯相似,容易進行親電取代;
(2)通過氫化熱或燃燒熱對離域能的熱化學測量表明,這類具有芳香性的環狀分子比相應的非環體系具有低的氫化熱低的燃燒熱,而顯示特殊的穩定性。
(3)用物理方法和核磁共振譜進行測定,這類化合物的質子與苯及其衍生物的質子一樣,顯示類似的化學位。
證明
休克爾4n+2規則可用微擾分子軌道理論即PMO法從理論上加以證明。
在休克爾規則的啟示下,近二十年合成了芳香體系的化合物,於是出現了一系列非苯芳烴,及一些不含苯環結構,但具有一定程度的芳香性的烴,稱為非苯芳烴。
1. 環丁烯基二價正離子 它環上的四個碳都是sp雜化的,π電子數等於2,符合休克爾4n+2(n=0)規則,有芳香性。
2. 環丁烯基雙負離子 它的π電子數等於6,環上的四個碳位於一個平面內,符合休克爾4n+2(n=1)規則,有芳香性。
3. 環辛三烯雙正離子 它的π電子數等於6,分子形狀是平面八邊行,符合休克爾4n+2(n=1)規則,有芳香性。
4. 環壬四烯負離子 它的π電子數等於10,環上碳原子近似於一個平面,符合休克爾4n+2(n=2規則,有芳香性。
5. 十二碳環六烯雙負離子 它是通過原來的六烯環狀物的還原性電解或與鉀金屬作用以獲得,π電子數等於14,符合休克爾4n+2(n=3)規則,有芳香性。
6. 十六碳環八烯雙負離子也已製得,π電子數等於18,符合理論判斷,它有芳香性。
7. 蘭烴(又名阿族啉)是少數共軛駢聯非苯烴,有芳香結構。此芳烴經X射線和電子衍射法測量它的鏈長大致相近而不相等,有較大的偶極距(1.08D),指出兩個環的電荷不等環庚三烯帶正電荷,環戊二烯帶負電荷,彼此由電荷的「去」和「得」,而得到穩定。
8.環戊二烯負離子當環戊二烯懸浮於苯中的金屬鈉或鎂作用時形成環戊二烯金屬化合物,它在液態氨中有明顯的導電性,證明了環戊二烯負離子的存在。環戊二烯負離子的π電子數目為兩個雙鍵上的四個和亞甲基上的兩個,形成環狀六個π電子體系,符合休克爾4n+2規則,現已證明它是一個平面的對稱體系。從分子軌道理論計算結果,環戊二烯負離子是一個滿電子構型體系,所以具有芳香性。
9.環辛四烯負離子 在環辛四烯的四氫呋喃溶液中加入金屬鉀,.環辛四烯變成二價負離子,分子形狀由環辛四烯的澡盆型結構轉變為平面八邊形,共有10個π電子,符合休克爾4n+2規則,因此它具有芳香性。
10.環丙烯基正離子它的環是由三個sp雜化的碳和2個π電子組成的共軛體系,π電子數為2,符合爾4n+2規則,它有芳香性。
11.薁(yu,音「欲」)它是一個五元環的環戊二烯和七元環的環庚三烯稠合而成的。π電子數為10,符合休克爾4n+2規則,因此它具有芳香性。
12. 環十八碳九烯—[18]輪烯它有十八個π電子,符合爾4n+2規則。。此芳烴經X射線證明,環中碳碳鍵長几乎相等,整個分子幾乎處於一個平面上,扭轉不大於0.1nm。說明輪內氫原子的排斥力很弱,它也具有一定的芳香性。
13. 1,3,5—環庚三烯正離子 它的環中亞甲基的碳是sp雜化的,有空的p軌道,使平面的七個碳原子變成環狀共軛體系,π電子數為6,符合爾4n+2規則,它有芳香性。

同芳香性

此外,還有同芳香性,它是指某些共軛雙鍵的環被一個或兩個亞甲基所隔開,這個亞甲基在環平面之外,是環上的π電子構成芳香體系。如環壬三烯正離子有兩個亞甲基在環平面之外環平面的碳行成共軛體系,π電子數為6,符合爾4n+2規則,它有芳香性。

3改進

休克爾規則不適用於許多含三個以上環的稠環芳烴體系。例如,芘含有16個離域電子(8個鍵),蒄含有24個離域電子(12個鍵)。儘管這些稠環化合物不符合4n+2規則,但它們都具有芳香性。事實上,休克爾規則只能在單環體系下被理論證明。

4三維規則

在2000年,Andreas Hirsch以及他的同事在德國埃爾朗根研究出了如何判定富勒烯在什麼情況下具有芳香性。他們發現,當一個富勒烯分子含有2(n+1)個π電子(n為大於等於0的整數)的時候,這個分子會呈現芳香性的特徵。這個理論是由芳香性的富勒烯的必須有二十面體的結構特徵,且電子軌道必須填滿的事實推定的。而這個事實當且僅當這個分子有2(n+1)個電子的時候才成立。比如說一個特別的例子:有著60個π電子的C60(足球烯)不具有芳香性,因為60除以2等於30,而30並不是一個完全平方數。
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