有机物芳香性判断方法的探索

秦泽鑫

[摘要]本文提出了一种简易、快速判断有机物分子（或离子）芳香性的方法，并结合实例描述了应用此方法判断有机物芳香性的基本步骤，应用此方法对多种分子（或离子）中芳香性进行解析，所得结论与实际结果相一致，展示了该方法的有效性。

有机物芳香性是学生学习大学有机化学时一个非常重要的知识点，同时也是一个难点。在有机化学中，很少有一个概念像芳香性一样有如此高的引用频率，也很少有类似的概念能引起如此多的争议[1][2]。

“芳香”一词最早是用于形容一些有机物独特的气味，后来随着研究的深入，发现这些有机物具有特殊的稳定性，比如不能进行普通不饱和物的加成反应以及难以被氧化。

目前，通用的教材中均采用休克尔规则（Hükel Rule）来对有机物的芳香性进行判断。该规则虽然是公认的通用规则，但由于需要识记的要点较多及复杂，使学生在应用时很难掌握。所以，寻求一种简单又高效的规则，使学生快速且准确地判断有机物芳香性就显得十分重要。

1 问题的提出

最早发现具有芳香性的有机物是苯，后来随着科学研究不断发展，不仅是苯，还有稠环芳香烃、杂环甚至无机物都可能具有芳香性。由于芳香性判断的重要性，休克尔提出判断芳香性的基本规则：

（1） 离域的p轨道电子云中有4n+2个电子。

（2） 碳环骨架在同一个平面上。

（3） 环上每一个原子都有p轨道，或孤对电子都参与电子云的离域[1][2]。

学生对以上规则均表示出不同程度的困惑，集中在识记麻烦，解题时死板。因此，笔者积极探索芳香性相关知识，提出了一种简单又高效的具体方法，帮助学生解决以上困惑。

2 判断有机物芳香性的新方法

根据笔者长期的研究与实践，提出了以下新方法：

（1） 碳环骨架在同一平面内。

（2） 该有机物环内单双建交替，或者带孤对电子或空轨道的原子交替出现。

（3） 孤对电子作π键看待，空轨道的原子则作去掉该原子看待。

（4） 若π键数目之和为奇数，则该有机物具有芳香性;若为偶数，则该有机物反芳香性。

2.1 应用该方法判断有机物分子的实践

苯是最简单的芳香化合物。在苯中，每个碳原子都是sp2杂化，都有一个垂直于环平面的p轨道，并向其p轨道提供1个电子形成单双键交替的环;该体系总共有3根π键。故而，苯具有芳香性。实践结果与实际相符合。

稠环芳香烃因其电子数目多，学生判断起来显得十分吃力，我们可以用以上新方法来进行判断。以甘菊环为例。

在图2中可以看出，甘菊环10个碳原子均为sp2杂化，每个碳原子向p轨道提供1个电子，形成单双键交替的环;甘菊环共有5根π键。甘菊环同样具有芳香性。若用休克尔规则判断，离域p轨道电子云10个电子，符合4n+2个电子要求，具有芳香性。

笔者提出的新方法同样适用于杂环有机物。以大家最为熟知的芳杂环呋喃为例。

按照孤对电子作π键看待，呋喃环中的氧原子存在一对孤对电子，可将其当作π键，做如下变换：

如此，呋喃环中一共有3根π键，具有芳香性。若用休克尔规则判断，呋喃含有6个离域的p轨道电子，符合4n+2个电子的要求，同样成立。

我们来验证反芳香性的有机物，比如二氢哒嗪。在二氢哒嗪中，两个氮原子上的孤对电子与两个C=C π键共同组成具有8个电子的共轭体系。

如上图所示，二氢哒嗪共4根π键，故具有相当明显的反芳香性。休克尔规则判断，因为环内有8个离域p轨道电子，不符合4n+2个电子要求，具有反芳香性。

2.2 应用该方法判断有机物离子的实践

对于以上有机物的讨论是基于电中性的环进行验证的，如果有机物是带有电荷的环，该如何进行判断呢？我们同样进行以下验证。

环戊二烯是一种非常活泼的化合物，表现出一切烯烃的性质，既能形成负离子，也能形成正离子，我们分别验证。

对于环戊二烯负离子，因为带负电荷的碳原子其垂直于环平面的p轨道上有2个电子，相当于带有孤对电子，根据我们的规则，孤对电子按π键处理，则进行如下变换：

变换后，环戊二烯负离子具有3根π键，具有芳香性。若用休克尔规则判断，6个离域p轨道电子，符合4n+2个电子规定，具有芳香性。

杜宇环戊二烯正离子，带有正电荷的碳原子其垂直于环平面的p轨道上没有电子，只剩下空轨道，按我们的规则，空轨道的原子作舍去处理，进行如下变换：

变换后，环戊二烯正离子变成了环丁二烯，虽然共轭，但因为仅有2根π键，具有反芳香性。若用休克尔规则判断，认为其没有符合共轭体系，无法判断。综合实验结果[1][2]，证明其有反芳香性。所以，新规则可以弥补休克尔规则的不足，更加全面判断。

3 结果与讨论

3.1 与休克尔规则进行对比

笔者的方法实际上是将休克尔规则进行来简化与补充。

简化主要体现在，休克尔规则提出”离域电子总数要达到4n+2”才具有芳香性，笔者认为，离域电子在芳香环中就是单双键交替的共轭体系，而4n+2=2（2n+1），每2个离域电子成1根π键，2n+1则为奇数。所以，就是转化为“单双键交替的环中，π键数目之和为奇数”，这对于学生来说是简单易懂的。

创新则体现在，休克尔规则对于有机物阳离子是无法判断的，而筆者根据大量的实践与归纳，发现可将带电荷的原子作舍去处理来观察，突破了休克尔规则的局限性。

3.2 教学效果

为了验证教学效果，笔者将学生随机分成2个小组，每组30人。甲组学生只学习了休克尔规则，乙组学生只学习了新规则，使用以下习题作为测评，统计学生正确率及用时。

判断以下有机物分子或离子为芳香性、反芳香性或无芳香性：

得到成绩样本如下：

通过对比发现，乙组同学总体准确率好于甲组同学，且用时更短。甲组同学反映准确率较低的几题，均是有机物阳离子，使用休克尔规则判断出现了困难。可见，休克尔规则对于学生来说不够浅显与简单，使用时不流畅。

4 小结

针对学生学习有机化学教材中判断有机物芳香性感觉困难的问题，笔者根据多年的教学经验，结合自己对休克尔规则的理解，对休克尔规则进行简化与补充，该新规则使学生又快又准判断有机物分子或离子芳香性，而且能培养学生学习的兴趣，提高分析问题的能力。

参考文献

[1]邢其毅，裴伟伟，裴坚 基础有机化学 [M].4版。北京：北京大学出版社，2016.

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