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什么是芳香性?一个变得混乱的概念

2021-01-31菲利普鲍尔

世界科学 2021年12期
关键词:概念化学结构

菲利普·鲍尔

如果你不认同“化学只是应用量子物理学”这一颇为流行的论断,那么芳香性概念无疑可作为你反驳时援引的一个论据。芳香性是所有化学概念中最混乱、含糊不清的术语。它表明化学在某些方面更接近社会学或动物学——化学分子对应社会个体,这种便利促使我们分门别类,而又不必确保自己的分类是否足够合理。

芳香性是一个明显不当的用词。1865年,奥古斯特·凯库勒(August Kekulé)提出苯的环状结构:碳链头尾连接成环。而芳香性概念正源于这个六边形的苯环。1825年,法拉第(Michael Faraday)首次分离得到苯并注意到了它散发的杏仁气味。凯库勒在1865年的论文中以一种奇怪的“香肠”形式展示了苯的结构;直到1872年,他才展示了今天我们所熟悉的碳碳单键和双键交替排列的苯环结构。

直到20世纪30年代,化学键的量子理论才阐明了苯的电子结构。莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)提出,苯具有单一结构,是两个凯库勒结构式的共振杂合体。这解释了苯不同寻常的稳定性——它比凯库勒结构更稳定。与此同时,埃里希·休克尔(Erich Hückel)提供了基于分子轨道理论的另一种描述。一方面,苯环里的6个碳原子各以sp2杂化轨道分别与相邻两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成σ键,构成正六边形的分子骨架。另一方面,每个碳原子又有一个未杂化的2p轨道,6个2p轨道的对称轴均垂直于环平面,并从侧面相互重叠形成大π键,均匀分布于环平面的上方和下方,π轨道里的π电子云是完全平均化的,故每个碳碳键的键能一样;……

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