"共用电子对芳香网络结构"原理与构成规则--芳香性物质结构基础理论探新|惰性电子对原理

物质结构基础理论探究系列论文（1）

“共用电子对芳香网络结构”原理与构成规则

——芳香性物质结构基础理论探新

王荣梓

（合肥工业大学附中 安徽 合肥230009）

摘 要：针对现有芳香性物质结构理论的局限性，笔者依据多年研究的发现，以独特的视角，提出芳香性物质结构是“多原子共用电子对作用构成的几何对称形网络状结构”的观点，并构建了“共用电子对芳香网络结构”模型。在文中，笔者以点电荷之间相互作用为基础，建立了“作用三角网络”、“作用对称平衡”等概念，以此描述芳香网络结构的特征，阐述构成的基本原理，概括出芳香规则，据此揭示芳香性物质的结构本质，形成了以“对称作用—网络模式—芳香性质”为系统的共用电子对芳香网络结构理论；文中通过对具体结构问题的解释，破解一些令人困惑的疑难，验证这一理论的客观性，说明了新理论所具有的重要作用与在物质结构基础理论方面的突破意义。

关键词： 芳香网络结构 作用三角网络 作用对称平衡 “2n ＋1”与

芳香规则

・1．引言 “共用电子对芳香网络结构”概念的提出

・1．1 现有芳香性物质结构模式的局限性

关于芳香性物质的结构模式，现有多种理论解释，但这些结构模式往往比较抽象，带有虚拟性，很多解释也不一致，各种解释均存在局限性，因而不足以反映芳香性物质的结构本质与性质特征；有的解释还存在矛盾，如苯的结构，现有理论认为，苯环有六个“π电子”，然而“π电子”的运动如何描述、怎样发挥作用、它们的活性如何等问题，现有理论均无法解释；若按理推测，“π电子”暴露在环两侧，有供电子性，很易受亲电试剂的攻击，应该表现出化学活性，但事实并非如此。

・1．2 “共用电子对芳香网络结构”概念的提出与基本观点

经长期研究，笔者发现，芳香性物质的构成具有特殊的规律性，它是一类由共用电子对作用形成的，呈对称几何形状的网络状结构，这是一种异于通常描述的新的结构模式。若以新模式的结构原理，解释芳香性物质的相关结构问题，. - 1 -

大多能自然顺利地得以解决，并可破解一些长期令人困惑的问题。

本文主要是介绍新模式的特点、内涵与意义。为便于研究与表述，文中暂且将这种结构模式称作“共用电子对芳香网络结构”（简称“芳香网络结构”或“芳香结构”），相关原理称为共用电子对芳香网络结构原理（简称芳香网络结构原理或芳香原理），所成体系的理论称为共用电子对芳香网络结构理论（简称芳香网络结构理论或芳香理论）。

芳香网络结构理论的内涵主要是一些新的观点，文中以这些观点构建共用电子对芳香网络结构的模型、阐述芳香网络结构原理，并应用原理分析问题，探究芳香性物质的结构本质。

新的观点认为，在特定条件下，点电荷之间的相互作用可以组成相对稳定的网络，这是由三角形构形的稳定性与相互作用的对称平衡性决定的，利用由共用电子对和原子之间的作用形成的这种网络关系可以描绘芳香结构的模型，分析结构形成的内在因素与规律，解释物质芳香性的成因。

・2．共用电子对芳香网络结构的构成原理

・2．1 多中心键与共用电子对芳香网络结构

共用电子对芳香网络结构原理认为，芳香结构在形式上，是由多中心键与双原子键相互协同，将质点（成键电子对或原子）“编排”成形似点阵，而实为网络的，几何对称形网络状结构，其中多见的为分子型或离子型结构，如图I 所示，环丙烯正离子、苯环、多环及一些杂环等，还有的呈巨型网络状，如石墨晶体的网络状碳层等〔

相互作用，“←→”表示排斥作用，“→←”表示吸引作用〕。 图I 多中心键与相互作用网络结构示意图

多中心键的描述，在有些结构中，一些原子提供了一定数目的价电子（一般为偶数），这些价电子又偶合成为多原子共用的电子对，共用电子对与各个原子 - 2 -

之间的较强作用如同纽带，将共用电子对与多个原子连接在一起，这样就形成了多原子共价键，即多中心键﹝图I （1）（2）﹞。共用电子对同时也作用于邻近的共价键，因而使双原子键略有缩短。

共用电子对（注：本文泛指多原子共用的电子对）处于一定的对称位置，可以是中心对称、轴对称或旋转对称，有的则处于结构中心位置。处于中心位置的电子对也称为“中心”电子对，如图I （1）所示。以共用电子对形成的多中心键与双原子键协同作用，使电子、原子相互作用结合成了网络结构，其中对称而稳定、具有芳香性的结构，就属于芳香网络结构〔图I 、图VI 〕。

・2．2 芳香性环内存在共用电子对的例证

芳环内存在共用电子对是形成多中心键、组成芳香网络结构的基础，芳香性是由此产生的。共用电子对虽然是设定的，但芳香性物质的结构形态与性质反映了它的存在，能说明共用电子对存在的事例是普遍的，如在核磁共振的实验中，苯等芳环的环内对外加磁场有明显的屏蔽作用，这并不是所谓“环电流”的作用，其实质是由于环内存在共用电子对，因为电子对具有抗磁性，因此产生了电磁屏蔽作用。

芳烃对红外光谱的作用也能提供重要的证据，如苯环有四个特殊的吸收峰，通常称之为苯环骨架振动特征峰，以芳香网络结构的观点来看，这正是苯的共用电子对芳香网络结构的表征，恰好映证了共用电子对的存在。以苯环为例，苯环内有三个共用电子对［图II （1）］，其中每个共用电子对可分别与六个碳原子产生作用［图II （2）］，且与1位、邻位的碳原子作用强，与间位、对位的碳原子的作用弱，这是因共用电子对距离C1最近，距离C2、C6次之，离C3、C5较远，离C4最远。在同一环境里，同类键的红外吸收波数与距离是反比关系，而吸收的强度应与距离的平方成反比，所以三共用电子对形成的多中心键，即结构网络对红外光谱吸收通常呈现这样的现象，共用电子对与C1的吸收为1600cm-1，中等强度，因只存在三个吸收；与邻位C2、C6的吸收为1500 cm-1，因距离虽然较C1远，但存在六个吸收机会，所以吸收最强；与间位的C3、C5因分别受另两个共用电子对的屏蔽作用，使吸收波长缩短，吸收作用大大减弱，故在1580 cm-1处产生弱吸收峰，且受取代基的影响变化大；共用电子对与对位C4的距离最远，且只有三次吸收机会，所以吸收的波长最长，形成的波峰也弱，其吸收峰在1450 cm-1①处［图II （2）（3）］，这说明，正是共用电子对形成的多中心键，即网络结构作用产生了苯环红外光谱的特征峰。

当外来基团取代了氢原子，外来基团的电子诱导作用，可使苯环的特征吸收得到更明显的体现，这里暂且不作讨论。

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（1） （2） （3）

图II 共用电子对的网络作用与红外吸收分析

我们再以石墨、二茂铁为例来说明，如石墨晶体，碳层呈ABA B …形式重叠，石墨“一层的所有碳原子绝不会直接放在下一层的碳原子之上，而是碳原子与任何隔一层的碳原子相互重叠，……这种密堆积形式，可以（ABA B …）表示，显然这是最稳定的”②，这种现象实际证明了环内共用电子对的存在。为什么这样说呢？其解释如图III （1）（2）（3）所示，六元环为平面形，由于价电子均在平面上，碳原子两侧显电正性，它吸引着平面两侧碳环中心的共用电子对，使部分碳原子与环中心的电子对相对应，从而使石墨网络碳环呈ABA B …式错位重叠；又如二茂铁、苯基配合物〔图III （4）（5）〕，二个茂环平面中心对着亚铁离子，也说明，在环平面内存在电子，且与亚铁离子产生吸引，形成二茂铁分子结构。众多金属—芳基配合物的形成，恰恰证明芳环内共用电子对的存在。

A

B

A co co co Mo

B

（1）一个石墨碳环（2）中心电子对与（3）石墨碳层的（4）二茂铁的“夹（5）苯基配合

的价电子排布 碳原子的对应 （ABA B …）重叠 心”状结构 物③

图III 说明芳环内存在共用电子对示意图

・3．形成共用电子对芳香网络结构的基础与本质

・3．1芳香网络结构内相互作用的基本形式是作用三角关系

对称的“作用三角网络”是构成共用电子对芳香网络结构的基础，形成对称的“作用三角平衡”体系是构成芳香性稳定结构的核心。

芳香网络结构内相互作用的基本形式是作用三角关系，如图［VI （1）（2）

（3）（4）］中可以看到，环丙烯正离子、环丁二烯正离子等，只有一个中心电子对；苯环有三个共用电子对呈正三角形排布；环辛四烯负离子，五个共用电子对呈有中心正方形排布，这些结构的主要作用都能归结为作用三角关系，而且都是对称“作用三角平衡”体系，所以这些结构均为芳香结构。

・3．2 什么是对称的“作用三角网络”，它是怎样形成的呢？

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作用网络，实际是联系结构中各质点的相互作用，本质是点电荷之间的相互作用。在芳香结构中，无论是电子对之间的互相排斥，或是电子对与原子（核）之间的互相吸引，这些相互作用，如同“雨伞的伞骨支撑伞面一样”起支撑作用，如此将质点连接在一起，就“编排”成所谓的共用电子对作用网络；在网络中，网格呈三角形状，而所有三角形又围绕结构中心对称排布，这样组成的网络实际是由若干个“作用三角形”构成的对称的作用三角网络。

・3．3 为什么强调是“作用三角网络”？

因为网格呈三角形是结构稳定的关键之一。由于三角形具有稳定性，三角构架不易被破坏，三角构形对顶点起支撑作用，因而以三角形为基本单元的作用网络（实际是三角形网格）才具有稳定性，这是形成稳定结构的基础。每个“三角形”格子实际是由相互作用组成的“作用三角”，所谓“作用三角”，实质是质点间相互作用呈现的线形三角形关系。在“作用三角”中，相互作用是“无形”的，但它对三个顶点的稳定作用是符合三角形性质的。

事实上，结构内的任一点电荷与周围所有的点电荷都存在相互作用，只是因位置不同而有强弱之分，“作用三角”突显的是质点间对结构起决定作用的相互作用。

・3．4 为什么芳香结构必须是对称的“作用三角网络”？

因为各种相互作用只有在高度对称的前提下，才能达到互相抵消，促成总的作用平衡，因此对称的“作用三角网络”实际是一个对称“作用三角平衡”体系，只有结构内相互作用达到平衡，没有破坏对称结构的应力存在，才能形成稳定结构。

这种以作用三角为基本单元的全对称的网络结构，表现出共用电子对运动的定域性，质点位置的相对稳定性，以此促成结构体系的平衡与稳定。

质点的相对稳定，可以从两个角度分析，一是“作用三角”，由于三角形的稳定性，质点被看作是受三角方向的作用将其“支撑”在三角的顶点位置，呈“三足鼎立”的状态，而不易移动；二是“网络作用”，质点受网络多方位交叉而对称的作用，质点被多个作用“拉扯固定”，而不易被移动。两种解释都说明质点在结构中不易改变相对位置，其中原子被稳定在一定的位置，电子对则因此被定域在一定区域，使共用电子对的运动具有定域性，从而使电子对可以看成是质点，参与形成网络。因此芳香网络结构原理强调，对称的“作用三角网络”的形成与“作用三角平衡体系”是稳定结构的基础与核心，故可把满足这种平衡的条件看作为“作用对称平衡规则”。

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事实上，很多非芳香结构的内部也存在网络作用，有的也是作用三角网络，关键是没有形成作用三角对称排布，不是“作用三角平衡”体系，故不能成为芳香结构。

・3．5 对称“作用三角网络”的作用

共用电子对芳香网络结构的实质是对称“作用三角网络”使成键电子对及原子以点阵式排布、结合在一起，形成的一定的构形，是一种力求反映芳香性物质结构的形成与形态的模型。这种模型并不是想象或虚拟的图形，它是具体而实在的网状模型〔如图I 、图VI 所示〕。

芳香网络结构具有芳香性，这是对称“作用三角网络”作用的结果，在网络结构中，因多中心键的作用，共用电子对牵制约束着成键原子，使整个网络结构对称而平稳，降低了体系的内能，因而结构比较牢固，在受外来作用时，构形不易改变，结构不易被破坏，所以芳香网络结构具有较好的稳定性，从而表现出芳香性。这也说明，多中心键对分子构形与结构的稳定性常起着决定的作用。

这种由多中心键形成的作用三角对称排布组合的网络，是芳香网络结构的特征结构，因此可以将这种网络作用形式称为“芳香作用”，网络关系称为“芳香作用网络”或“作用三角网络”。

・4．芳香网络结构的特征、构成规律与“芳香网络结构规则” ・4．1 形成平衡体系对共用电子对数的要求

芳香网络结构内相互作用的基本形式是作用三角关系。我们看到，在芳香结构的一个单环内，共用电子对数均为奇数，为1、或3、或5…，这是什么原因呢？这说明，只有当共用电子对数为奇数时，而且，在共用电子对数大于3时，由电子对排成的多边形必须有一个电子对作中心（图IV （5）所示），如此，相互作用才可能组成有效的作用三角，多中心键才能构成芳香作用网络，形成“作用三角平衡”的结构体系。

・4．2．1共用电子对数为偶数，不易形成芳香结构。

这与共用电子对排布成的有中心的形式多边形顶点为奇数有关。

其原因可通过共用电子对的受力分析来说明，当共用电子对数为二时，不能形成作用三角网络关系；若共用电子对数为四，如形成四边形，四边形易变形，显然不稳定；若形成正三角形，中心有一个电子对，也还是一种亚稳定态。原因如图IV （4）所示，一是这种排列，使电子对分布的密度相对较大，相互推斥作用强，二是中心电子对受三个顶点的排斥，这种排斥作用不在一条直线上，合力 - 6 -

使居于中心的电子对受指向三方的作用，而不够稳定。就表观而言，中心电子对所受作用对称，合力为零，也应该是稳定的，但这如同“被三根对称拉线直立的杆子”，在外电场的作用下，若使某一方向的合力改变，如增大或削弱，中心电子对就会失衡，就像“拉线受力不均，杆子就会倾斜或倒地”一样，中心电子对如同一个站立的“鸡蛋”不易保持直立的状态，显然，这种状况不能保持中心电子对稳定于中心区域，故四电子对的正三角形排列是一种亚稳定态。

若是六个共用电子对，形成一个中心五个顶点的多边形，也存在类似的情形﹝图IV （6）﹞。

・4．2．2共用电子对为单数，可形成芳香结构

当共用电子对数为1、3、5时可形成芳香结构［图IV （1）（3）（5）所示］。若共用电子对数为五或大于五，须有一个电子对作中心，形成有偶数个顶点的多边形。其意义是，从电子对之间的作用来看，中心电子对受对角线顶点的电子对的排斥，这种排斥作用方向相反，并在一条直线上，可以互相抵消，这时中心电子对便可稳定于中心区域，产生芳香作用，进而形成稳定结构。如共用电子对数为五﹝图IV （5）﹞，形成有中心的对称的四边形，中心电子对所受电子对的排斥作用可以互相抵消，因而能够形成稳定结构。

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由上可知，芳香结构的每个环内，通常共用电子对数只能是奇数；当共用电子对数为偶数时，是不易形成有效的作用三角关系的。因为，只有共用电子对数为奇数时，才有可能在环内形成一个个有效的作用三角形，才可能组成芳香作用网络，形成芳香网络结构。

・4．3共用电子对芳香网络结构规则

根据上述分析研究，总结芳香网络结构的构成规律，可以得出“共用电子对芳香网络结构规则”（简称“芳香规则”）：

（1） 符合价电子共平面条件

即通常要求成环原子的价电子在同一个平面上（或要求每个成环原子最多只能结合一个原子或基团）。

（2） 符合单电子对规则

即在一个环内，通常构成多中心键的共用电子对数满足“2n ＋1” （n=0,1,2,3....)。

（3） 符合作用对称平衡原则

即以多中心键为主的相互作用能匹配、组成有效的对称作用三角网络，相互作用达到平衡，平衡点通常在对称中心位置。

・4．4芳香规则应用中的问题

应用芳香规则判断结构的芳香性，不仅要符合芳香规则，同时要考虑其它影响因素，如环的边数、边的夹角大小、共用电子对数的匹配情况等，例如，图V

（1），还有〔10〕轮烯、〔14〕轮烯等，其形式共用电子对数分别为3、5、7，符合单电子对规则，但这些均不是芳香结构。这说明仅仅符合“单电子对”规则并不能完全断定结构的芳香性，还要看条件的匹配情况，需要满足规则中的第（3）条。

原因是，通常的环状结构，当边数增加时，边的夹角也随之增大，一般大于135度时，由于同平面三个成键电子对之间距离缩小，斥力增至不能相容，环的形状会发生改变，如变成轮烯状环，这样的环多数没有芳香性；还有共用电子对数与环边数的匹配问题，如形式共用电子对数多、环边数少，如例图V （1），或环顶点数和形式共用电子对数都多的情形，如〔10〕轮烯、〔14〕轮烯，由于条件不匹配，不能“编排”成对称作用三角网络，不满足芳香规则的第三条，故不是芳香网络结构。但在［10］轮烯的1、6位引入亚甲基，亚甲基插入一个六元环内，将之分割成近似的两个小环，每个环中分配有一个共用电子对，而另一 - 8 -

个环有三个共用电子对，满足了芳香规则，使1,6亚甲基癸五烯具有芳香性④［图V （（5）］，因此判断环状结构的芳香性要做具体分析。

在稠环芳烃中，还普遍存在这种情形，即利用了公共边上的价电子对，使之成为共用电子对，以此满足每个环内含有奇数个形式上的单数个电子对，如图V 中的（2）、（3）、（5），图VII 中的喹啉、奥等结构都有这种情形。

・4．5芳香规则的验证与应用 下面选择一些环状结构，以其形式共用电子对数分别为奇数或偶数，探讨有无芳香性，以检验芳香规则的客观性。 - 9 -

成键

电子

对排

布

芳香

结构

示意

图

作用三角网络 互相吸引作用三角 互相推斥作用三角 图VI 电子对排布、与作用三角网络示意图 ・4．5．1环丁二烯分子与正离子 先看环丁二烯分子，形式上，其环中有两个共用电子对，两个电子对之间为直线关系，不能组成有效的作用三角关系，故没有形成芳香结构；但环丁二烯正离子则不同，环中只有一个共用电子对，位于环中心区域，可与周边的四个成键电子对、四个碳原子相互作用，形成了作用三角关系，所以环丁二烯正离子结构稳定，具有芳香性﹝图VI （2）﹞。 如按共用电子对数目进行分类，环丁二烯正离子属一共用电子对类芳香结构，类似的还有环丙烯正离子、石墨碳环等。 ・4．5．2环辛四烯分子与负离子

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其分子可看成有四个形式共用电子对，四个电子对作四边形排布，四边形易变形，不能形成稳定的平面作用三角关系，其分子为船型，环辛四烯具有典型烯烃的性质；但环辛四烯负离子有五个共用电子对，可组成一个有中心的四边形，形成四个相互推斥的作用三角；在八员环中，八个成键电子对、五个共用电子对、以及八个碳原子相互之间，能产生有效的作用三角关系，组成芳香作用网络，所以环辛四烯负离子有芳香性﹝图VI （4）﹞。

・4．5．3〔18〕轮烯分子

该分子有9个共用电子对，可排布成一个中心套两个长方形的形式，能形成芳香作用网络，符合芳香规则，故〔18〕轮烯有芳香性。其类别同环辛四烯负离子，相当于五共用电子对类芳香网络结构〔图VI （5）〕。

・4．5．4苯分子，苯环内有三个共用电子对，三个电子对围绕结构中心呈正三角形排布，三个共用电子对、六个碳原子间电子对、六个碳原子相互作用，组成了对称的作用三角网络，形成了稳定的芳香结构﹝图VI （3）﹞。

苯是典型的三共用电子对类芳香结构，在一个环内含三个共用电子对的芳香结构比较多，这是因为三共用电子对类芳香结构的对称性好，稳定性强，类似的有环戊二烯负离子、呋喃、吡啶、喹啉、萘、奥等（图VII ）。

・5．共用电子对芳香网络结构原理与理论概述、应用与意义 ・5．1共用电子对芳香网络结构原理概述 - 11 -

由以上分析研究可知，本文是以熟悉的相互作用关系，直接描述共用电子对的行为与作用，说明芳香性物质结构的构成。这种结构是具备一定条件的环状结构，该结构因电荷之间的静电作用，特别是共用电子对的桥梁纽带作用，使相互作用可组织成稳定的网络形式，构成了具有特征性质的结构，即共用电子对芳香网络结构。

芳香网络结构的特征体现在，共用电子对按对称方式排布，使得各种作用组成了作用三角，作用三角又围绕结构中心组成对称的作用三角网络；由于三角形的稳定性，从而可形成对称、和谐、平稳的平面环状结构。在环上，每一原子受来自作用网络多方位的交叉而对称的作用，相对位置比较稳定，使结构整体具有一定的刚性与韧性，因此结构的稳定性好。

简言之，芳香网络结构是以多中心键结合的、作用三角形支撑的电子——原子网格结构，是一种“作用三角平衡”体系。

芳香网络结构表现出的性质特征就是芳香性。由于芳香网络结构是对称、平稳的结构，结构内的原子受“作用网络”牵制而不易改变状态，体系内能相对较低；结构特点是不易变形，也不易被破坏，故不易发生破坏网络结构的加成或氧化反应，而易发生不破坏整体结构的取代反应。这是产生芳香性的根本原因。

当然，芳香网络结构的稳定也是相对的，在一定条件下，如受强极性试剂的攻击，芳香网络会被破坏，使之近似的“重键”性得以显现，如发生局部或全部加成，从而转变成其它结构，新生成的物质失去了原有物质的芳香性。

・5．2芳香网络结构原理对芳香性物质重要疑难问题的解析

・5．2．1 关于芳环的定位规则问题

关于定位规则，过去多以共轭效应来加以解释，在芳香规则中没有共轭的含义，芳香结构原理认为，在芳环中，共用电子对是按一定方式排列的，距离不同的碳原子有亲疏之分，故碳原子上的电子云密度大小略有差异，这样对碳原子的活性产生影响，使之出现了亲电或亲核的差别，这样使得不同位置的碳原子反应活性不同，根据规律，产生了定位规则。如苯环上的碳原子，电子云密度应存在ABA B …式的大小相间现象，这种差别刚好反映了第一、二类定位基的定位取向。

但在苯的核磁共振的低级谱上，1H 和13C 显示的峰的分列现象并不明显，这说明，在非取代苯环上，电子云分布趋于平均化，化学位移的差别没被明显的显示出来；当有取代基存在的条件下，由于取代基对电子的诱导效应，使共用电子对产生趋向性偏移，因而化学位移的变化通常较大，电子对偏向的碳原子，电子对对磁的屏蔽作用增强，化学位移走向高场，值减小，这些碳原子的电子云密 - 12 -

度增大，有利于亲电取代，反之则减弱，这样，定位效应也就更加明显了。如图VIII 反映出，—CH 3为供电子基，—NO 2为吸电子基，分别使苯环产生不同的定位效果。

图VIII 芳环1H 的化学位移⑤与取代基的定位规律

需要指出的是，定位规则反映的只是取代概率的大小，受瞬间因素影响，产生非规律性的取代也是正常的。

・5．2．2关于芳环的键长问题

・5．2．2．1为什么有的芳环键长相等，有的芳环键长不等

在芳香网络结构中没有共轭多烯、单双键交替或共振现象等存在的含义。这是由于芳香网络的作用，芳香结构是一个高度对称的整体结构，当为正多边形时，边长自然相等，如苯环，根据芳香结构，六个碳碳键是等价的，苯环呈正六边形，故很多芳环键长平均化是必然的结果。但也有一些芳环，呈现的是轴对称，由于共用电子对距不同的碳原子有远近之分，使碳碳键不完全等价，这样形成的多边形虽然也是对称的，但不是正多边形，于是自然出现多边形边长不等的现象，产生了键长不等的差别，其中电子对离两原子间距近的键长缩短，反之，键伸长。例如，萘分子是对称的，但只是对应边的边长相等，如图〔IX （4）（5）〕所示，键长的变化与推断正好相符。

反过来，我们也可以根据键长的变化来推断共用电子对距双原子键位置的向背。

・5．2．2。2为什么芳环上的键长比普通的单键要短，比一般的双键要长？

这是因为芳环上的键不同于普通的单键，它略带有“重键”性。

如图IX （1）所示四元环，其中心电子对对双原子键电子对是排斥的；就多中心键局部来说，多中心键的作用相当于它对周边的原子提供了一定的成键电子，图中的中心电子对，分配到每一个键，相当于提供了四分之一电子对的作用，这样可看成是四个近似的“重键”﹝图IX （2）﹞，也就是说相邻的两原子、成键电子对和中心电子对共同参与形成了不完整的“重键”﹝图IX （3）﹞。 如苯环碳碳键存在“重键”性，可以从质子的红外光谱得到解释，比如苯环 - 13 -

上质子的伸缩振动与烯烃上＝C －H 的伸缩振动都出现在3100～3000cm-1处；苯环上的碳碳键也类似积累双键， C＝C ＝C 在波数2000～1915范围有弱吸收峰，苯环常在波数1900附近也存在弱的吸收峰⑥。

“重键”性的存在，促使环上的共价键缩短，因此芳环上共价键的键长介于一般单键与规范的双键之间。不过，这种形式上近似的“重键”与通常的双键有本质的差别，由于网络作用，这种“重键”通常并不表现化学活性，但对键长却产生了一定的影响。

0.141nm 0.136nm

0.142nm 共用电子对偏向0.136nm

0.142nm

（1） （2） （3） （4）⑦ （5）

图Ⅸ影响芳环键长作用示意图

・5．2．.3关于π电子数为“4n ＋2”规则表达的含义问题

通常判断，当多烯化合物中π电子数符合4n ＋2（n=0,1,2,3....)就具有芳香性，但“4n ＋2”规则的真正含义是什么，并不为人所知。在芳香规则中没有π电子和多烯的含义，但它要求结构中的共用电子对数必须为奇数，可以看出，“4n ＋2”即2（2 n＋1），其实质反映的是共用电子对数为（2 n＋1），即在一个芳环中共用电子对数必须符合“2n ＋1” （n=0,1,2,3....)。 芳香结构的“2n ＋1”单电子对规则，实际就是“π电子”数为“4n +2”的本质含义。

・5．2．4 关于金属与芳性基形成化合物问题

金属与芳基能结合成形式多样的配合物，有夹心类的，如二茂铁，二苯铬等，还有很多非夹心类的，种类复杂。这类物质结构的形成，在多种解释中都遇到困难，因为用一般价键理论处理总感到有些牵强，但用芳香网络结构理论分析，这类结构的形成则是个很自然的问题。根据芳香网络结构理论，在芳基环内存在共用电子对，环中心区域电子云密度相对较大，能成为供电子体，两侧又比较“空旷”，空间允许，因而可以吸引接纳电正性的离子与基团，故易与金属离子或基团配合，形成众多的金属—芳基配位型（或络合型）化合物，常见芳基如图X 所示。

ph

ph

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图Ⅹ 常见符合配位条件的芳香基⑧

・5．2．5 奥分子二环的电荷问题

奥分子由大小两环构成，两环分别显示出弱正、负电性，为什么会出现这种电现象呢？这个问题若以通常的观点不易解释，但从芳香原理来看，这是必然的结果。芳香网络原理认为，奥分子为芳香网络结构，奥分子的每个环各有三个共用电子对，两环大小不等，但占有共用电子对数相同，故小环平均含电量比大环多，因而小环略带负电荷，大环略带正电荷，使分子产生极性，从而显示了这一奇特的分子电现象﹝图VII （5）﹞。

5．3 芳香网络结构原理与理论的作用与意义

综上所述，本文是以电子、原子之间特殊的相互作用形式为基础，以独特的视角，直观地描述共用价电子的行为与作用，构建新的对称三角网络结构模式，即共用电子对芳香网络结构模型，以揭示芳香性物质结构形成的根本原因。

各种芳香性物质的结构形式不完全相同，但形成芳香网络结构的原理、构成方式是一致的，芳香网络结构原理能将芳香性物质的构成、判断与性质等有机地结合起来做出全面一致的解释。

把这些观点、原理进行理性分析和系统整理，可得出“对称作用—网络模式—芳香性质”的芳香网络结构理论。新的理论模式克服了其它模式的局限性，可以直观、有效地解决实际问题，解析一些疑难，这有利于揭示芳香性物质的结构本质。

研究分析表明，芳香网络结构的存在具有客观性，可以认为，它是特定条件下形成的自然结果。新的理论对于解决实际问题，具有普遍的作用，对于揭示芳香性物质的结构本质、对于研究物质结构基本理论具有突破意义。

参 考 文 献

① 朱淮武编《有机分子结构波谱解析》。北京市：化学工业出版社，2005。48。 ②〔美〕F ・A ・科顿、〔英〕G ・威尔金森著，北京师范大学、兰州大学、吉林大学、辽宁大学译，《高等无机化学》上册。北京市：《人民教育出版社》，1981。384。

③〔美〕F ・A ・科顿、〔英〕G ・威尔金森著，北京师范大学、兰州大学、吉林大学、辽宁大学译，《高等无机化学》下册。北京市：《人民教育出版社》，1981。266，278。

④邢其毅、徐瑞秋、周 政编《基础有机化学》。北京市：高等教育出版社，1984。219。 ⑤E.Protsch,P.Buhlmann,C.Affolter 蓍，荣国斌译，《波谱数据表－有机化合物结构解析》。上海市：华东理工大学出版社，2002。180,210。

⑥李润卿主编，《有机结构波谱分析》。天津市：天津大学出版社，2002。81～88。 ⑦吉林师范大学、华南师范学院、上海师范学院、江苏师范学院、广西师范学院合编， - 15 -

《有机化学》上册。北京市：人民教育出版社，1981。111。

⑧〔美〕F ・A ・科顿、〔英〕G ・威尔金森著，北京师范大学、兰州大学、吉林大学、辽宁大学译，《高等无机化学》下册。北京市：《人民教育出版社》，1981。276。

Series Papers Inquiring into the Basic Theory on the Material Structure (1)

The principle and constitution rule of "the shared doublet

fragrant network architecture"

--New research into the basic theory on aromatic materials

Rongzi Wang

Middle School Attached to HFUT Ninguo Road 103, Hefei Anhui Province 230009

Abstract:

In view of the limitation of the existing aromatic material structural theory, the author, resting on the discovery of many years’ research, by the unique angle of view, proposes a new viewpoint on the aromatic material structure, that is, " the geometry symmetrical network structure formed by the poly-atomic shared doublet function ", and constructed the model of " the shared doublet fragrant network architecture". In the article, the author, taking the mutual function between the point charge as a foundation, has established the concepts such as "the function triangle network", "the function symmetrical balance" and so on. And via this the author describes the characteristics of the fragrant network architecture, elaborates the constitution basic principle, summarizes the fragrant rule, and according to the above, promulgates the structure essence of the aromatic material and has formed the theory on the shared doublet fragrant network architecture taking "the symmetrical function -- network pattern -- fragrant nature" as the system; In the article, via the explanation on the concrete structure question and explanations on some puzzling difficulty, the writer confirms the objectivity of this theory, and proves that the new theory has vital role and peakthrough significance in material structure basic theory aspect.

Key word:

Fragrant network architecture function triangle network function symmetrical balance "2n + 1" and fragrant rule

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