单环共轭多烯的结构与芳香性研究

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单环共轭多烯的结构与芳香性研究

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一般来说,分子中π电子的离域程度与外磁场下感应环电流相关,也可以反映分子的芳香性特征。当体系π电子满足休克尔4n + 2规则,且施加外电场时,期望体系能形成单向环电流。感应电流密度的各向异性(ACID) [21]可用图形显示外部磁场感应的环电流。当施加外磁场垂直于环平面,我们采用ACID程序研究这几种单环的π电子离域性和磁感应电流密度。ACID本质上反映了相应位置电子对磁场感应的各向同性的强度。由于σ电子没有涉及离域,所以我们主要是研究π电子的分布来了解电子离域性。黄色是ACID等值面,等值面上红色的箭头是相应位置感应电流密度矢量,磁场的方向是从纸面里面指向纸面外面。只考虑π电子时氢原子上没有ACID等值面值,这是符合我们的常识。对于单环分子体系,π电子在整个环平面具有很强的离域性,也就是说π电子能够在整个环平面自由运动,在外加磁场的情况下,会在环平面产生一圈明显的感应环电流,在原子附近的电流密度较大。顺时针循环表示芳香性。从图 8可以看出感应电流方向满足左手规则,C3H3+、C5H5-、C6H6、和C7H7+的π电子都呈现芳香性,C4H4的π电子都呈现反芳香性特征。对于C5H5-、C6H6和C7H7+分子,π电子都是6个,因为环的大小不同,显然C5H5-环最小,电流密度最大,而C7H7+环最大,电流密度最小。π电子在整个分子平面离域,在C-C成键区域产生环电流,没有离域到H原子附近。通过图形化显示芳香性和反芳香性环电流,可以引导学生突破分子结构的表象,从而有利于从电子本质认识芳香性问题。另外我们还应用程序GIMIC 2.0 [22]考察了分子磁感生电流,绘制了C5H5-和C4H4的全空间动态流线场图(见补充材料),动画效果生动有趣,非常直观的将外磁场下的动态环电流的流动展现了出来。



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