有機物芳香性判斷方法的探索

秦澤鑫

[摘要]本文提出了一種簡易、快速判斷有機物分子（或離子）芳香性的方法，并結合實例描述了應用此方法判斷有機物芳香性的基本步驟，應用此方法對多種分子（或離子）中芳香性進行解析，所得結論與實際結果相一致，展示了該方法的有效性。

[關鍵詞]有機物;芳香性;休克爾規則

有機物芳香性是學生學習大學有機化學時一個非常重要的知識點，同時也是一個難點。在有機化學中，很少有一個概念像芳香性一樣有如此高的引用頻率，也很少有類似的概念能引起如此多的爭議[1][2]。

“芳香”一詞最早是用于形容一些有機物獨特的氣味，后來隨著研究的深入，發現這些有機物具有特殊的穩定性，比如不能進行普通不飽和物的加成反應以及難以被氧化。

目前，通用的教材中均采用休克爾規則（Hükel Rule）來對有機物的芳香性進行判斷。該規則雖然是公認的通用規則，但由于需要識記的要點較多及復雜，使學生在應用時很難掌握。所以，尋求一種簡單又高效的規則，使學生快速且準確地判斷有機物芳香性就顯得十分重要。

1 問題的提出

最早發現具有芳香性的有機物是苯，后來隨著科學研究不斷發展，不僅是苯，還有稠環芳香烴、雜環甚至無機物都可能具有芳香性。由于芳香性判斷的重要性，休克爾提出判斷芳香性的基本規則：

（1） 離域的p軌道電子云中有4n+2個電子。

（2） 碳環骨架在同一個平面上。

（3） 環上每一個原子都有p軌道，或孤對電子都參與電子云的離域[1][2]。

學生對以上規則均表示出不同程度的困惑，集中在識記麻煩，解題時死板。因此，筆者積極探索芳香性相關知識，提出了一種簡單又高效的具體方法，幫助學生解決以上困惑。

2 判斷有機物芳香性的新方法

根據筆者長期的研究與實踐，提出了以下新方法：

（1） 碳環骨架在同一平面內。

（2） 該有機物環內單雙建交替，或者帶孤對電子或空軌道的原子交替出現。

（3） 孤對電子作π鍵看待，空軌道的原子則作去掉該原子看待。

（4） 若π鍵數目之和為奇數，則該有機物具有芳香性;若為偶數，則該有機物反芳香性。

2.1 應用該方法判斷有機物分子的實踐

苯是最簡單的芳香化合物。在苯中，每個碳原子都是sp2雜化，都有一個垂直于環平面的p軌道，并向其p軌道提供1個電子形成單雙鍵交替的環;該體系總共有3根π鍵。故而，苯具有芳香性。實踐結果與實際相符合。

稠環芳香烴因其電子數目多，學生判斷起來顯得十分吃力，我們可以用以上新方法來進行判斷。以甘菊環為例。

在圖2中可以看出，甘菊環10個碳原子均為sp2雜化，每個碳原子向p軌道提供1個電子，形成單雙鍵交替的環;甘菊環共有5根π鍵。甘菊環同樣具有芳香性。若用休克爾規則判斷，離域p軌道電子云10個電子，符合4n+2個電子要求，具有芳香性。

筆者提出的新方法同樣適用于雜環有機物。以大家最為熟知的芳雜環呋喃為例。

按照孤對電子作π鍵看待，呋喃環中的氧原子存在一對孤對電子，可將其當作π鍵，做如下變換：

如此，呋喃環中一共有3根π鍵，具有芳香性。若用休克爾規則判斷，呋喃含有6個離域的p軌道電子，符合4n+2個電子的要求，同樣成立。

我們來驗證反芳香性的有機物，比如二氫噠嗪。在二氫噠嗪中，兩個氮原子上的孤對電子與兩個C=C π鍵共同組成具有8個電子的共軛體系。

如上圖所示，二氫噠嗪共4根π鍵，故具有相當明顯的反芳香性。休克爾規則判斷，因為環內有8個離域p軌道電子，不符合4n+2個電子要求，具有反芳香性。

2.2 應用該方法判斷有機物離子的實踐

對于以上有機物的討論是基于電中性的環進行驗證的，如果有機物是帶有電荷的環，該如何進行判斷呢？我們同樣進行以下驗證。

環戊二烯是一種非常活潑的化合物，表現出一切烯烴的性質，既能形成負離子，也能形成正離子，我們分別驗證。

對于環戊二烯負離子，因為帶負電荷的碳原子其垂直于環平面的p軌道上有2個電子，相當于帶有孤對電子，根據我們的規則，孤對電子按π鍵處理，則進行如下變換：

變換后，環戊二烯負離子具有3根π鍵，具有芳香性。若用休克爾規則判斷，6個離域p軌道電子，符合4n+2個電子規定，具有芳香性。

杜宇環戊二烯正離子，帶有正電荷的碳原子其垂直于環平面的p軌道上沒有電子，只剩下空軌道，按我們的規則，空軌道的原子作舍去處理，進行如下變換：

變換后，環戊二烯正離子變成了環丁二烯，雖然共軛，但因為僅有2根π鍵，具有反芳香性。若用休克爾規則判斷，認為其沒有符合共軛體系，無法判斷。綜合實驗結果[1][2]，證明其有反芳香性。所以，新規則可以彌補休克爾規則的不足，更加全面判斷。

3 結果與討論

3.1 與休克爾規則進行對比

筆者的方法實際上是將休克爾規則進行來簡化與補充。

簡化主要體現在，休克爾規則提出”離域電子總數要達到4n+2”才具有芳香性，筆者認為，離域電子在芳香環中就是單雙鍵交替的共軛體系，而4n+2=2（2n+1），每2個離域電子成1根π鍵，2n+1則為奇數。所以，就是轉化為“單雙鍵交替的環中，π鍵數目之和為奇數”，這對于學生來說是簡單易懂的。

創新則體現在，休克爾規則對于有機物陽離子是無法判斷的，而筆者根據大量的實踐與歸納，發現可將帶電荷的原子作舍去處理來觀察，突破了休克爾規則的局限性。

3.2 教學效果

為了驗證教學效果，筆者將學生隨機分成2個小組，每組30人。甲組學生只學習了休克爾規則，乙組學生只學習了新規則，使用以下習題作為測評，統計學生正確率及用時。

判斷以下有機物分子或離子為芳香性、反芳香性或無芳香性：

得到成績樣本如下：

通過對比發現，乙組同學總體準確率好于甲組同學，且用時更短。甲組同學反映準確率較低的幾題，均是有機物陽離子，使用休克爾規則判斷出現了困難。可見，休克爾規則對于學生來說不夠淺顯與簡單，使用時不流暢。

4 小結

針對學生學習有機化學教材中判斷有機物芳香性感覺困難的問題，筆者根據多年的教學經驗，結合自己對休克爾規則的理解，對休克爾規則進行簡化與補充，該新規則使學生又快又準判斷有機物分子或離子芳香性，而且能培養學生學習的興趣，提高分析問題的能力。

參考文獻

[1]邢其毅，裴偉偉，裴堅 基礎有機化學 [M].4版。北京：北京大學出版社，2016.

[2] Jonathan Clayden，Nick Greeves，Stuart Warren.Organic Chemitstry[M].Oxford Press，2012.