首先教科书上有一个误解,即连续的C=C键要共平面,这个是不对的。比如最简单的1,3-丁二烯,当R基团为大位阻基团时,丁二烯会高度扭曲,4个骨架碳原子并不共平面。即便是环状体系,例如经典的芳香体系----萘环,当R基团很大时,也不共平面。
回过头来要问一个问题,什么是芳香性?因为题主之所以问为什么[10]轮烯不共平面,无非就是因为受到教科书的影响,即芳香性化合物必须共平面,而根据休克尔规则(4n+2规则),[10]轮烯应该具有芳香性,从而产生了困惑,甚至因果关系都弄颠倒了。
休克尔规则本质上是有问题的,或者说是有时代局限性的。反例太多,有兴趣可以自己查阅。但是可惜的是,由于其简单好懂,被写进了教科书,教书的老师好多往往又懒得追根溯源,只是照本宣科,没有揭示推导出4n+2的本质原因,以至于让无数小朋友看到反例时困惑不已,比如这里提到的[10]轮烯。
关于芳香性本质的讨论,学术界还没有一个统一的定义下来,但是经过这么多年的发展,一些共识还是有的,我这里说的谨代表个人观点,如果恰好有不同学术流派的大牛过来,请不要打脸。
1)首先必须要有环状的离域键,或者说是首尾相连的封闭离域键。例如苯环就是6个碳原子,每个碳原子提供一个电子,形成6个电子的离域键(当然按照定义和轨道的情况,一根键或者说一个轨道最多只能容纳两个电子,所以其实是形成了3个离域键)。
这里还要啰嗦一点,就是电子云连续,不一定意味着原子需要连着,跨过某些原子,形成环状离域键的例子是有的,这叫同芳香性,具体请自学,不再赘述。
再补充一点,离域的是sigma键还是pi键也不重要,当然教科书这个级别还是以谈pi芳香性为主。
2)这样一个连续的环状电子云,要是磁屏蔽的。也即是说,如果外加一个磁场,外磁场导致环上的环电流产生的感生磁场会一定程度对外磁场有抵消(屏蔽)作用。对于反芳香性体系,则是环电流的感生磁场和外磁场方向相同,故会加强外磁场。
我认为以上两点才是芳香性的本质。
芳香性并不一定导致共平面,比如我之前提到的带有大位阻取代基的萘环。但是容易想象,如果平面性好,那么轨道"肩并肩"排列时肯定重合程度会更好,产生的磁屏蔽(抗屏蔽)会更强,对应的就是芳香性(反芳香性)更强。
故对于位阻大的环状共轭体系,由于共平面性太差(这是因),所以电子云交叠不好,导致呈现非芳香