[10]輪烯 (C??H??) 的結構到底是什麼樣的？

01-05

為什麼10個C不是共平面？

謝邀。這是一個很容易回答的問題，但是能引出很多很重要的東西，跟我太相關了。

首先如果只是對付大學考試的話， @Belleve 說的很對，[10]輪烯的因為中間兩個H原子空間位置的原因，最優構型必須不能共平面，否則兩個氫原子會隔得很近，排斥力過大。

那麼如果把兩個氫原子拿掉，是不是可以釋放環張力，從而共平面呢？這裡給我自己剛發表的論文無恥地打一下廣告，有興趣的話可以看看，略專業。

Aromatic Dicupra[10]annulenes

當然我更願意以更簡單的語言分享一下我的理解。首先教科書上有一個誤解，即連續的C=C鍵要共平面，這個是不對的。比如最簡單的1,3-丁二烯，當R基團為大位阻基團時，丁二烯會高度扭曲，4個骨架碳原子並不共平面。即便是環狀體系，例如經典的芳香體系----萘環，當R基團很大時，也不共平面。

回過頭來要問一個問題，什麼是芳香性？因為題主之所以問為什麼[10]輪烯不共平面，無非就是因為受到教科書的影響，即芳香性化合物必須共平面，而根據休克爾規則（4n+2規則），[10]輪烯應該具有芳香性，從而產生了困惑，甚至因果關係都弄顛倒了。

休克爾規則本質上是有問題的，或者說是有時代局限性的。反例太多，有興趣可以自己查閱。但是可惜的是，由於其簡單好懂，被寫進了教科書，教書的老師好多往往又懶得追根溯源，只是照本宣科，沒有揭示推導出4n+2的本質原因，以至於讓無數小朋友看到反例時困惑不已，比如這裡提到的[10]輪烯。

關於芳香性本質的討論，學術界還沒有一個統一的定義下來，但是經過這麼多年的發展，一些共識還是有的，我這裡說的謹代表個人觀點，如果恰好有不同學術流派的大牛過來，請不要打臉。

1）首先必須要有環狀的離域鍵，或者說是首尾相連的封閉離域鍵。例如苯環就是6個碳原子，每個碳原子提供一個電子，形成6個電子的離域鍵（當然按照定義和軌道的情況，一根鍵或者說一個軌道最多只能容納兩個電子，所以其實是形成了3個離域鍵）。

這裡還要啰嗦一點，就是電子云連續，不一定意味著原子需要連著，跨過某些原子，形成環狀離域鍵的例子是有的，這叫同芳香性，具體請自學，不再贅述。

再補充一點，離域的是sigma鍵還是pi鍵也不重要，當然教科書這個級別還是以談pi芳香性為主。

2）這樣一個連續的環狀電子云，要是磁屏蔽的。也即是說，如果外加一個磁場，外磁場導致環上的環電流產生的感生磁場會一定程度對外磁場有抵消（屏蔽）作用。對於反芳香性體系，則是環電流的感生磁場和外磁場方向相同，故會加強外磁場。

我認為以上兩點才是芳香性的本質。

芳香性並不一定導致共平面，比如我之前提到的帶有大位阻取代基的萘環。但是容易想像，如果平面性好，那麼軌道"肩並肩"排列時肯定重合程度會更好，產生的磁屏蔽（抗屏蔽）會更強，對應的就是芳香性（反芳香性）更強。

故對於位阻大的環狀共軛體系，由於共平面性太差（這是因），所以電子云交疊不好，導致呈現非芳香性（這才是果！）。

事實上，休克爾規則也就對小體系適用得比較好，即使這樣，近年來還有好多文章狂打所謂反芳香性的臉。想想看，休克爾規則是用久期行列式解出來的，相當精彩。可是，如果自己仔細看看推導過程，這裡面涉及多少簡化？所以說休克爾規則實在是一個局限性很大的理論。

這個問題大神 @魏俊年說得已經很詳細了( ??? ? ??? )。。然而本渣恰好對芳香性這部分的內容比較有興趣，所以姑且狗尾續貂一下。

其實［10］輪烯可能的結構有三種

就是圖中的A、B、C(原諒我畫圖渣(?_?))，分別為順反順順反式、全順式與單反式。通常教材上舉例比較多的是A，A中那兩個H由於空間上靠得太近產生不可避免的排斥，使得整個分子大大偏離平面結構，從而失去了芳香性。但事實上，A這樣結構的［10］輪烯還尚未被製備出來，不過顯而易見的是它相當不穩定。

關於芳香性，以往「具有額外的穩定性，不易發生加成而易取代」這樣模糊的定義已經被替代了，目前比較通行的定義是，分子中閉合電子環能夠維持抗磁環電流的性質被稱為芳香性，譜學上的特徵是環內質子移向高場，環外質子移向低場。反之則為反芳香性，沒有這種現象即為非芳香性。

關於［10］輪烯，上圖中B和C已經在低溫下被製得了，但是這類十元環若要採取平面型，144度的鍵角顯然比sp2雜化要求的120度大了不少，存在較大的大角張力，於是也不可避免地較大程度地偏離了平面，實際測得它們都沒有芳香性。不過近年有計算表明，C是【可能】具有芳香性的。

如果設法排除A結構中兩個H的斥力，在兩個位置間搭橋，形成D這樣的化合物，將中間的CH2換成O或NH，三種化合物都已經製得，雖然都略微偏離平面型，但是都具有芳香性。

由此可以得出結論，休克爾規則仍然是有比較好的適用性的。閉合的十電子體系，除非因為斥力過大，很大程度地偏離平面結構而破壞了芳香性(如A、B、C)，略微的偏離平面型並不會影響芳香性(D及其衍生物)，同樣地，［14］輪烯也是略微偏離平面但是仍具有芳香性的典型例子。

不過對於大環體系，休克爾規則的適用性似乎不是那麼好了，這個是後話。(似乎扯遠了(?_?)。。)

我搜了一下手上的資料庫，優化結構不共面，因為……你要共面兩個 H 就撞上了啊！

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