芳香性芳香性判据

芳香性判据——休克尔规则

是否具有芳香性的化合物一定要含有苯环？德国化学家休克尔而从分子轨道理论的角度，对环状化合物的芳香性提出了如下的规则，即休克尔规则：一个单环化合物只要具有平面离域体系，它的π 电子数为4n 2(n=1，2，3，…整数），就有芳香性(当 n>7 时，有例外）。或者说单环、平面、闭合兀体系、具有4n 2个丌电子的化合物具有芳香性。其中n相当于简并的成键轨道和非键轨道的组数.苯有六个π电子，符合4n 2规则，六个碳原子在同一平面内，故苯有芳香性。而环丁二烯，环辛四烯的π电子数不符合4n 2规则，故无芳香性。

凡符合休克尔规则，具有芳香性.不含苯环的具有芳香性的烃类化合物称作非苯芳烃，非苯芳烃包括一些环多烯和芳香离子等。

芳香性轮烯

环多烯烃（通式CnHn）又称作轮烯（也有人把 n≥10 的环多烯烃称为轮烯）。环丁二烯，苯，环辛四烯和环十八碳九烯分别称[4]轮烯，[6]轮烯，[8]轮烯和[18]轮烯.它们是否具有芳香性，可按休克尔规则判断，首先看环上的碳原子是否均处于一个平面内，其次看 π 电子数是否符合4n 2.[18]轮烯环上碳原子基本上在一个平面内，π 电子数为 4n 2(n=4），因此具有芳香性.又如[10]轮烯，π 电子数符合 4n 2(n=2），但由于环内两个氢原子的空间位阻，使环上碳原子不能在一个平面内，故无芳香性。

非苯芳烃及芳香性判据

芳香性芳香离子

某些烃无芳香性，但转变成离子后，则有可能显示芳香性。如环戊二烯无芳香性，但形成负离子后，不仅组成环的5个碳原子在同一个平面上，且有6个π电子（n=1），故有芳香性.与此相似，环辛四烯的两价负离子也具有芳香性.因为形成负离子后，原来的碳环由盆形转变成了平面正八边形,且有 10 个π电子（n=2），故有芳香性。

环戊二烯负离子

其它某些离子也具有芳香性，例如，环丙烯正离子（Ⅰ），环丁二烯两价正离子（Ⅱ）和两价负离子（Ⅲ），环庚三烯正离子（Ⅳ）。因为它们都具有平面结构，且π电子数分别为2,2,6,6，符合4n 2(n 分别位0,0,1,1）。

具有芳香性的离子也属于非苯芳烃。

芳香性稠环体系

与苯相似，萘、蒽、菲等稠环芳烃，由于它们的成环碳原子都在同一个平面上，且π电子数分别为10和 14，符合Hückel规则，具有芳香性。虽然萘、蒽、菲是稠环芳烃，但构成环的碳原子都处在最外层的环上，可看成是单环共轭多烯，故可用Hückel规则来判断其芳香性。

与萘、蒽等稠环芳烃相似，对于非苯系的稠环化合物，如果考虑其成环原子的外围π电子，也可用Hückel规则判断其芳香性。例如，薁（蓝烃）是由一个五元环和一个七元环稠合而成的，其成环原子的外围π电子有 10 个，相当于[10]轮烯，符合 Hückel 规则（n=2），也具有芳香性.薁的偶极矩为3.335×10-30C·m，其中环庚三烯带有正电荷，环戊二烯带有负电荷，可看成是由环庚三烯正离子和环戊二烯负离子稠合而成的，两个环分别有 6 个电子，所以稳定，是典型的非苯芳烃。

芳香性莫比乌斯体系

与Hückel体系共轭分子芳香性不同，若将Hückel体系共轭分子，以一个端点碳原子为原点，把分子链上的其它碳原子，在共轭平面中作扭转，其结果恰好使另一个端点碳原子转动180°，然后，再将头尾两个碳原子相连，使之形成单环共轭多烯烃。在这类单环共轭多烯烃中，头尾两个碳原子的p轨道位相相反（或位相转换数为1）。这种体系叫莫比乌斯体系。在莫比乌斯体系中，若π电子数为4n(n=0,1,2......），则形成稳定的闭壳层电子结构，分子稳定，具有芳香性。

莫比乌斯体系主要用于芳香过渡态理论.2100433B

C₆₀在室温下为紫红色固态分子晶体，有微弱荧光。C₆₀分子的直径约为7.1埃（1埃= 10^-10米，即一百亿分之一米），C₆₀的密度为1.68g/cm³。分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。C₆₀具有金属光泽，有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀、在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。

溶解性

富勒烯在大部分溶剂中溶得很差，通常用芳香性溶剂，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶剂二硫化碳溶解。纯富勒烯的溶液通常是紫色，浓度大则是紫红色，C₇₀的溶液比C60的稍微红一些，因为他在500nm处有吸收；其他的富勒烯，如C₇₆、C₈₀等则有不同的紫色。富勒烯是迄今发现的唯一在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异性体。

有些富勒烯是不可溶的，因为他们的基态与激发态的带宽很窄，如C₂₈，C₃₆和C₅₀。C₇₂也是几乎不溶的，但是C₇₂的内嵌富勒烯，如La₂·C₇₂是可溶的，这是因为金属元素与富勒烯的相互作用。早期的科学科学家对于没有发现C₇₂很是疑惑，但是却有C₇₂的内嵌富勒烯。窄带宽的富勒烯活性很高，经常与其他富勒烯结合。化学修饰后的富勒烯衍生物的溶解性增强很多，如PC61BM室温下在氯苯中的溶解度是50mg/mL。C₆₀和C₇₀在一些溶剂的溶解度列于左表，这里的溶解度通常是饱和浓度的估算值。

导电性

C₆₀常态下不导电。因为C60大得可以将其他原子放进它内部，并影响其物理性质，因而不可导电。另外，由于C₆₀有大量游离电子，所以若把可作β衰变的放射性元素困在其内部，其半衰期可能会因此受到影响。

超导性

在可以大量生产C60后其很多性质被发现，很快Haddon等人 发现碱金属掺杂的C₆₀有金属行为，1991年发现钾掺杂的C₆₀在18K时有超导行为，这是迄今最高的分子超导温度，之后大量的金属掺杂富勒烯的超导性质被发现。研究表明超导转化温度随着碱金属掺杂富勒烯的晶胞体积而升高。铯可以形成最大的碱金属离子，因此铯掺杂的富勒烯材料被广泛研究，Cs₃C₆₀As在38K时有超导性质， 不过是在高压下。常压下33K时具有最高超导转化温度的是 Cs₂RbC₆₀。C₆₀固体超导性的BCS理论认为，超导转变温度随着晶胞体积的增加而升高，因为C₆₀分子间的间隔与费米能级N（εF）的态密度的升高相关，因此科学家们做了大量的工作试图增加富勒烯分子间的距离，尤其是将中性分子插入A3C₆₀晶格中来增加间距同时保持C₆₀的价态不变。不过，这种氨化技术意外地得到了新奇的富勒烯插入复合物的特别的性质：Mott-Hubbard转变以及C₆₀分子的取向/轨道有序和磁结构的关系。 C₆₀固体是由弱相互作用力组成的，因此是分子固体，并且保留了分子的性质。一个自由的C₆₀分子的分立能级在固体中只是很弱的弥散，导致固体中非重叠的带间隙很窄，只有0.5eV。未掺杂的 C₆₀固体，5倍hu带是其HOMO能级，3倍的t1u带是其空的LUMO能级，这个系统是带禁阻的。但是当C₆₀固体被金属原子掺杂时，金属原子会给t1u带电子或是3倍的t1g带的部分电子占据有时会呈现金属性质。虽然它的t1u带是部分占据的，按照BCS理论A4C₆₀ 的t1u带是部分占据的应该有金属性质，但是它是一个绝缘体，这个矛盾可能用Jahn-Teller效应来解释，高对称分子的自发变形导致了它的兼并轨道的分裂从而得到了电子能量。这种Jahn-Teller型的电子-声子作用在C60固体中非常强以致于可以破坏了特定价态的价带图案。窄带隙或强电子相互作用以及简并的基态对于理解并解释富勒烯固体的超导性非常重要。电子相互斥力比带宽大时，简单的Mott-Hubbard模型会产生绝缘的局域电子基态，这就解释了常压时铯掺杂的C₆₀固体是没有超导性的。电子相互作用驱动的t1u电子的局域超过了临界点会生成Mott绝缘体，而使用高压能减小富勒烯相互间的间距，此时铯掺杂的C60固体呈现出金属性和超导性。

关于C₆₀固体的超导性还没有完备的理论，但是BCS理论是一个被广泛接受的理论，因为强电子相互作用和Jahn-Teller电子-声子偶合能产生电子对，从而得到较高的绝缘体-金属转变温度。

磁性

阿勒曼（Allemand）等人在C₆₀的甲苯溶液中加入过量的强供电子有机物四(二甲氨基)乙烯（TDAE），得到了C₆₀(TDAE)C_0.86的黑色微晶沉淀，经磁性研究后表明是一种不含金属的软铁磁性材料。居里温度为16.1K，高于迄今报道的其它有机分子铁磁体的居里温度。由于有机铁磁体在磁性记忆材料中有重要应用价值，因此研究和开发C₆₀有机铁磁体，特别是以廉价的碳材料制成磁铁替代价格昂贵的金属磁铁具有非常重要的意义。