休克尔规则
休克尔规则
概述
休克尔规则(Hückel’s rule)是一个经验规则,用以判断具有共轭烯烃结构的环状有机化合物是否具有芳香性。这套规则简述为(4n+2),即如果参与构成共轭 π 电子的个数为 4n+2 个,其中 n 为自然数(如 2, 6, 10, 14 等),则此化合物就具有芳香性;反之,则不具有芳香性。
休克尔规则可以解释苯、茂基负离子、环丙烯正离子、环庚三烯正离子等有机物的芳香性,以及为何环丁二烯、环辛四烯不具有芳香性。
休克尔规则由德国化学家埃里希·休克尔(Erich Hückel)于 1931 年提出。
限定条件
可以应用休克尔规则的分子需要遵循以下两个限定条件:
- 分子为单环,且环公平面;
- 在环内的所有骨架原子均存在与环状骨架平面垂直的 p 轨道。对碳原子来说,这意味着 sp2 杂化。
原理
休克尔规则可以通过简化的分子轨道(MO)理论模型来解释。
首先,假设体系内共有n个骨架原子,每个原子贡献一个垂直于环状平面的 p 轨道。这些 p 轨道就构成了环状平面内共轭 π 键分子轨道的一组「标准正交基」。注意不要把骨架原子个数(大写 N)和休克尔规则中的自然数(小写 n)混淆。因此,共轭 π 键可以写成 p 轨道的线性组合,即
标准正交基的含义为 p 轨道自身在全空间的积分
其中
其次,某个骨架原子的 p 轨道只与相邻的 p 轨道存在一部分重叠。因此,我们可以把矩阵元简化并记为
这样,就剩下两个不同的积分:
这个矩阵的规律是:
矩阵的大小是
矩阵的主对角元均为
在
在第一行和最后一行,因为
矩阵中的其余元素均为 0。这体现了假设:
有了哈密顿量之后,将矩阵
计算结果为 N 个能量
其中
根据三角函数的性质,可以把这一组能量画在一个圆形上。如 N=5 和 N=6 的情况如下图所示:
每一个能量对应一个轨道,里面可以填充自旋相反的一对电子。
如果一个共轭 π 体系中的电子都成对地填充满
休克尔规则如何在分子轨道理论中体现呢?考虑具有 N 个骨架原子的共轭
对中性分子,骨架和电子数都为
对正、负离子来说类似。正离子,可令
综上可见,只有
- 标题: 休克尔规则
- 作者: 晨曦
- 创建于 : 2023-01-10 14:59:53
- 更新于 : 2024-11-12 08:57:06
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