Die Hückel-Regel als Hinweis für eine aromatische Verbindung

Aromatische Verbindungen sind von großer Bedeutung. Ob eine cyclische Verbindung auch eine aromatische Verbindung sein kann, darauf gibt die Hückel-Regel einen ersten Hinweis. Gemäß der Hückel-Regel muss die  Zahl  der  π-Elektronen der cyclischen Verbindung der Formel „4n+ 2“ entsprechen, wobei n eine ganze Zahl ist (n= 0, 1, 2 …) und nicht die Zahl der Ringteile.

Wiederholung: Kriterien für das Vorliegen einer aromatischen Verbindung (monocyclische Verbindungen)

Arene bzw. Aromaten müssen folgende Eigenschaften erfüllen:

• Das Molekül ist cyclisch planar und besitzt konjugierte Doppelbindungen.
• Das Molekül ist resonanzstabilisiert.
• Das Molekül besitzt (4n + 2) π-Elektronen und entspricht somit der Hückel-Regel.

Die Hückel-Regel

Wie eingangs erwähnt, ist die Hückel-Regel (für sich alleine) kein eindeutiger Beweis, dass eine aromatische Verbindung vorliegt. Zusammen mit den Kriterien einer aromatischen Verbindung besagt, die Hückel-Regel, dass eine cyclische Molekülstruktur nur dann eine aromatische Verbindung ist, wenn gilt:

Die Zahl der π-Elektronen in dem Ringsystem des Aromaten entspricht (4n + 2) π-Elektronen mit n = 0, 1, 2, 3,…

Hinweis:

• Das heisst, ein Aromat verfügt in seinem Ringsystem über 2 π-Elektronen (n = 0), 6 π-Elektronen (n = 1), 10 π-Elektronen (n = 2) Die Variable n ist  dabei eine beliebige, ganzzahlige Zahl, und entspricht nicht der Anzahl der Ringe des Ringsystems (dies ist leider weitläufig verbreitet, da die Hückelregel am Benzolring vorgestellt wird. Der Benzolring verfügt über 6 „Ringteile“ und  6 π-Elektronen)

• Die Hückel-Regel gilt streng nur für monocyclische Moleküle, Verbindungen mit mehreren Ringen (z. B. polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) können mit der Hückel-Regel nicht „untersucht“ werden.

Beispiele:

• Benzol: 6 π-Elektronen (Aromat)
• Cyclobutadien: 4 π-Elektronen (kein Aromat)

Einfacher Nachweis der Hückel-Regel

Als Nachweis der Gültigkeit für die Hückel-Regel verwenden wir das sogenannte Frost-Musulin-Diagramm bzw. Frost-Musulin-Kreis (näheres dazu in einem anderen Kapitel). Mit Hilfe dieses Diagrammes kann man die Energieniveaus der Molekülorbitale einer aromatischen bzw. einer cyclischen Verbindung abschätzen.

Vergleichen wir nun Cyclobutadien und Benzol. Dazu bestimmen wir die Zahl der MO (für π-Niveaus). Cyclobutadien hat demnach 4 Molekülorbitale, Benzol 6 Molekülorbitale. Auf diese 4 MO (bei Cyclobutadien) verteilen wir 4 π-Elektronen und auf die 6 MO (bei Benzol) verteilen wir 6 π-Elektronen. Wie aus der MO-Theorie bekannt, ist der stabilste Zustand erreicht, wenn alle bindenden Orbitale (möglichst doppelt) besetzt sind  (und keine nicht-bindenden oder anti-bindenden Orbitale besetzt sind).

Das Frost-Musulin-Diagramm für Cyclobutadien und Benzol

Wie aus dem obigen Schema ersichtlich, sind nur bei Benzol alle bindenden Orbitale doppelt besetzt. Bei Cyclobutadien sind zwei Molekülorbitale nur einfach besetzt (was nach den Regeln der MO-Theorie energetisch deutlich ungünstiger ist). Es handelt sich bei Cyclobutadien nicht um einen „stabilen“ Aromaten (ungünstige Elektronenverteilung).