芳香性

芳香性稠環(huán)體系

與苯相似，萘、蒽、菲等稠環(huán)芳烴，由于它們的成環(huán)碳原子都在同一個平面上，且π電子數(shù)分別為10和 14，符合Hückel規(guī)則，具有芳香性。雖然萘、蒽、菲是稠環(huán)芳烴，但構(gòu)成環(huán)的碳原子都處在最外層的環(huán)上，可看成是單環(huán)共軛多烯，故可用Hückel規(guī)則來判斷其芳香性。

與萘、蒽等稠環(huán)芳烴相似，對于非苯系的稠環(huán)化合物，如果考慮其成環(huán)原子的外圍π電子，也可用Hückel規(guī)則判斷其芳香性。例如，薁（藍(lán)烴）是由一個五元環(huán)和一個七元環(huán)稠合而成的，其成環(huán)原子的外圍π電子有 10 個，相當(dāng)于[10]輪烯，符合 Hückel 規(guī)則（n=2），也具有芳香性.薁的偶極矩為3.335×10-30C·m，其中環(huán)庚三烯帶有正電荷，環(huán)戊二烯帶有負(fù)電荷，可看成是由環(huán)庚三烯正離子和環(huán)戊二烯負(fù)離子稠合而成的，兩個環(huán)分別有 6 個電子，所以穩(wěn)定，是典型的非苯芳烴。

芳香性莫比烏斯體系

與Hückel體系共軛分子芳香性不同，若將Hückel體系共軛分子，以一個端點碳原子為原點，把分子鏈上的其它碳原子，在共軛平面中作扭轉(zhuǎn)，其結(jié)果恰好使另一個端點碳原子轉(zhuǎn)動180°，然后，再將頭尾兩個碳原子相連，使之形成單環(huán)共軛多烯烴。在這類單環(huán)共軛多烯烴中，頭尾兩個碳原子的p軌道位相相反（或位相轉(zhuǎn)換數(shù)為1）。這種體系叫莫比烏斯體系。在莫比烏斯體系中，若π電子數(shù)為4n(n=0,1,2......），則形成穩(wěn)定的閉殼層電子結(jié)構(gòu)，分子穩(wěn)定，具有芳香性。

莫比烏斯體系主要用于芳香過渡態(tài)理論.2100433B

芳香性芳香性判據(jù)

芳香性判據(jù)——休克爾規(guī)則

是否具有芳香性的化合物一定要含有苯環(huán)？德國化學(xué)家休克爾而從分子軌道理論的角度，對環(huán)狀化合物的芳香性提出了如下的規(guī)則，即休克爾規(guī)則：一個單環(huán)化合物只要具有平面離域體系，它的π 電子數(shù)為4n 2(n=1，2，3，…整數(shù)），就有芳香性(當(dāng) n>7 時，有例外）?；蛘哒f單環(huán)、平面、閉合兀體系、具有4n 2個丌電子的化合物具有芳香性。其中n相當(dāng)于簡并的成鍵軌道和非鍵軌道的組數(shù).苯有六個π電子，符合4n 2規(guī)則，六個碳原子在同一平面內(nèi)，故苯有芳香性。而環(huán)丁二烯，環(huán)辛四烯的π電子數(shù)不符合4n 2規(guī)則，故無芳香性。

凡符合休克爾規(guī)則，具有芳香性.不含苯環(huán)的具有芳香性的烴類化合物稱作非苯芳烴，非苯芳烴包括一些環(huán)多烯和芳香離子等。

芳香性輪烯

環(huán)多烯烴（通式CnHn）又稱作輪烯（也有人把 n≥10 的環(huán)多烯烴稱為輪烯）。環(huán)丁二烯，苯，環(huán)辛四烯和環(huán)十八碳九烯分別稱[4]輪烯，[6]輪烯，[8]輪烯和[18]輪烯.它們是否具有芳香性，可按休克爾規(guī)則判斷，首先看環(huán)上的碳原子是否均處于一個平面內(nèi)，其次看 π 電子數(shù)是否符合4n 2.[18]輪烯環(huán)上碳原子基本上在一個平面內(nèi)，π 電子數(shù)為 4n 2(n=4），因此具有芳香性.又如[10]輪烯，π 電子數(shù)符合 4n 2(n=2），但由于環(huán)內(nèi)兩個氫原子的空間位阻，使環(huán)上碳原子不能在一個平面內(nèi)，故無芳香性。

非苯芳烴及芳香性判據(jù)

芳香性芳香離子

某些烴無芳香性，但轉(zhuǎn)變成離子后，則有可能顯示芳香性。如環(huán)戊二烯無芳香性，但形成負(fù)離子后，不僅組成環(huán)的5個碳原子在同一個平面上，且有6個π電子（n=1），故有芳香性.與此相似，環(huán)辛四烯的兩價負(fù)離子也具有芳香性.因為形成負(fù)離子后，原來的碳環(huán)由盆形轉(zhuǎn)變成了平面正八邊形,且有 10 個π電子（n=2），故有芳香性。

環(huán)戊二烯負(fù)離子

其它某些離子也具有芳香性，例如，環(huán)丙烯正離子（Ⅰ），環(huán)丁二烯兩價正離子（Ⅱ）和兩價負(fù)離子（Ⅲ），環(huán)庚三烯正離子（Ⅳ）。因為它們都具有平面結(jié)構(gòu)，且π電子數(shù)分別為2,2,6,6，符合4n 2(n 分別位0,0,1,1）。

具有芳香性的離子也屬于非苯芳烴。

C₆₀在室溫下為紫紅色固態(tài)分子晶體，有微弱熒光。C₆₀分子的直徑約為7.1埃（1埃= 10^-10米，即一百億分之一米），C₆₀的密度為1.68g/cm³。分子軌道計算表明，足球烯具有較大的離域能。C₆₀具有金屬光澤，有許多優(yōu)異性能，如超導(dǎo)、強磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕、在光、電、磁等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

溶解性

富勒烯在大部分溶劑中溶得很差，通常用芳香性溶劑，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶劑二硫化碳溶解。純富勒烯的溶液通常是紫色，濃度大則是紫紅色，C₇₀的溶液比C60的稍微紅一些，因為他在500nm處有吸收；其他的富勒烯，如C₇₆、C₈₀等則有不同的紫色。富勒烯是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一在室溫下溶于常規(guī)溶劑的碳的同素異性體。

有些富勒烯是不可溶的，因為他們的基態(tài)與激發(fā)態(tài)的帶寬很窄，如C₂₈，C₃₆和C₅₀。C₇₂也是幾乎不溶的，但是C₇₂的內(nèi)嵌富勒烯，如La₂·C₇₂是可溶的，這是因為金屬元素與富勒烯的相互作用。早期的科學(xué)科學(xué)家對于沒有發(fā)現(xiàn)C₇₂很是疑惑，但是卻有C₇₂的內(nèi)嵌富勒烯。窄帶寬的富勒烯活性很高，經(jīng)常與其他富勒烯結(jié)合?；瘜W(xué)修飾后的富勒烯衍生物的溶解性增強很多，如PC61BM室溫下在氯苯中的溶解度是50mg/mL。C₆₀和C₇₀在一些溶劑的溶解度列于左表，這里的溶解度通常是飽和濃度的估算值。

導(dǎo)電性

C₆₀常態(tài)下不導(dǎo)電。因為C60大得可以將其他原子放進它內(nèi)部，并影響其物理性質(zhì)，因而不可導(dǎo)電。另外，由于C₆₀有大量游離電子，所以若把可作β衰變的放射性元素困在其內(nèi)部，其半衰期可能會因此受到影響。

超導(dǎo)性

在可以大量生產(chǎn)C60后其很多性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，很快Haddon等人 發(fā)現(xiàn)堿金屬摻雜的C₆₀有金屬行為，1991年發(fā)現(xiàn)鉀摻雜的C₆₀在18K時有超導(dǎo)行為，這是迄今最高的分子超導(dǎo)溫度，之后大量的金屬摻雜富勒烯的超導(dǎo)性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)。研究表明超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度隨著堿金屬摻雜富勒烯的晶胞體積而升高。銫可以形成最大的堿金屬離子，因此銫摻雜的富勒烯材料被廣泛研究，Cs₃C₆₀As在38K時有超導(dǎo)性質(zhì)， 不過是在高壓下。常壓下33K時具有最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度的是 Cs₂RbC₆₀。C₆₀固體超導(dǎo)性的BCS理論認(rèn)為，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨著晶胞體積的增加而升高，因為C₆₀分子間的間隔與費米能級N（εF）的態(tài)密度的升高相關(guān)，因此科學(xué)家們做了大量的工作試圖增加富勒烯分子間的距離，尤其是將中性分子插入A3C₆₀晶格中來增加間距同時保持C₆₀的價態(tài)不變。不過，這種氨化技術(shù)意外地得到了新奇的富勒烯插入復(fù)合物的特別的性質(zhì)：Mott-Hubbard轉(zhuǎn)變以及C₆₀分子的取向/軌道有序和磁結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 C₆₀固體是由弱相互作用力組成的，因此是分子固體，并且保留了分子的性質(zhì)。一個自由的C₆₀分子的分立能級在固體中只是很弱的彌散，導(dǎo)致固體中非重疊的帶間隙很窄，只有0.5eV。未摻雜的 C₆₀固體，5倍hu帶是其HOMO能級，3倍的t1u帶是其空的LUMO能級，這個系統(tǒng)是帶禁阻的。但是當(dāng)C₆₀固體被金屬原子摻雜時，金屬原子會給t1u帶電子或是3倍的t1g帶的部分電子占據(jù)有時會呈現(xiàn)金屬性質(zhì)。雖然它的t1u帶是部分占據(jù)的，按照BCS理論A4C₆₀ 的t1u帶是部分占據(jù)的應(yīng)該有金屬性質(zhì)，但是它是一個絕緣體，這個矛盾可能用Jahn-Teller效應(yīng)來解釋，高對稱分子的自發(fā)變形導(dǎo)致了它的兼并軌道的分裂從而得到了電子能量。這種Jahn-Teller型的電子-聲子作用在C60固體中非常強以致于可以破壞了特定價態(tài)的價帶圖案。窄帶隙或強電子相互作用以及簡并的基態(tài)對于理解并解釋富勒烯固體的超導(dǎo)性非常重要。電子相互斥力比帶寬大時，簡單的Mott-Hubbard模型會產(chǎn)生絕緣的局域電子基態(tài)，這就解釋了常壓時銫摻雜的C₆₀固體是沒有超導(dǎo)性的。電子相互作用驅(qū)動的t1u電子的局域超過了臨界點會生成Mott絕緣體，而使用高壓能減小富勒烯相互間的間距，此時銫摻雜的C60固體呈現(xiàn)出金屬性和超導(dǎo)性。

關(guān)于C₆₀固體的超導(dǎo)性還沒有完備的理論，但是BCS理論是一個被廣泛接受的理論，因為強電子相互作用和Jahn-Teller電子-聲子偶合能產(chǎn)生電子對，從而得到較高的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變溫度。

磁性

阿勒曼（Allemand）等人在C₆₀的甲苯溶液中加入過量的強供電子有機物四(二甲氨基)乙烯（TDAE），得到了C₆₀(TDAE)C_0.86的黑色微晶沉淀，經(jīng)磁性研究后表明是一種不含金屬的軟鐵磁性材料。居里溫度為16.1K，高于迄今報道的其它有機分子鐵磁體的居里溫度。由于有機鐵磁體在磁性記憶材料中有重要應(yīng)用價值，因此研究和開發(fā)C₆₀有機鐵磁體，特別是以廉價的碳材料制成磁鐵替代價格昂貴的金屬磁鐵具有非常重要的意義。