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).

Die Hückel-Regel als Hinweis für eine aromatische Verbindung – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter der Hückel-Regel?

Die Hückel-Regel ist eine Regel in der organischen Chemie, die festlegt, wann eine Verbindung als aromatisch betrachtet werden kann. Sie besagt, dass eine aromatische Verbindung ein flaches ringschlossenes Molekül sein muss und (4n + 2) π-Elektronen besitzen muss, wobei n eine ganze Zahl (0, 1, 2, …) ist.

2. Wann gilt eine Verbindung als aromatisch, gemäß der Hückel-Regel?

Eine Verbindung gilt als aromatisch nach der Hückel-Regel, wenn sie einen flachen Ring hat und (4n + 2) π-Elektronen hat, wobei n eine ganze Zahl ist.

3. Was sind π-Elektronen?

Die π-Elektronen sind Elektronen, die sich in p-Orbitalen befinden und zur Bindungsbildung zur Verfügung stehen. Sie erzeugen Bindungen ober- und unterhalb der Atomkern-Ebene und sind somit freier beweglich als die σ-Elektronen.

4. Worin besteht der Unterschied zwischen aromatischen und aliphatischen Verbindungen?

Der Hauptunterschied besteht darin, dass aromatische Verbindungen ein ringschlossenes System von Atomen mit (4n + 2) π-Elektronen haben, während aliphatische Verbindungen gerade oder verzweigte Strukturen ohne solchen Ring haben.

5. Geben Sie ein Beispiel für eine aromatische Verbindung, die der Hückel-Regel entspricht.

Ein gängiges Beispiel ist Benzol, es hat 6 π-Elektronen und erfüllt daher die Hückel-Regel (n=1).

6. Warum ist Pyridin eine aromatische Verbindung trotz des Stickstoffatoms?

Obwohl Pyridin ein Stickstoffatom enthält, gilt es als aromatisch, da nur ein Elektron des Stickstoffs am pi-System teilnimmt und die Gesamtzahl der π-Elektronen gleich sechs bleibt, was der Hückel-Regel entspricht (n=1).

7. Ist Cyclobutadien eine aromatische oder nicht aromatische Verbindung?

Cyclobutadien ist eine nicht aromatische Verbindung. Es enthält vier π-Elektronen, was nicht der (4n+2) Regel von Hückel entspricht, und hat auch eine nicht-planare Struktur.

8. Wie beeinflussen Aromaten die Stabilität einer Verbindung?

Aromatische Verbindungen sind im Allgemeinen stabiler als ihre nicht aromatischen Gegenstücke. Dies liegt an der Energieverminderung, die als Aromatisierungsenergie bezeichnet wird.

9. Welche role spielt die Hückel-Regel in der organischen Chemie?

Die Hückel-Regel spielt eine zentrale Rolle in der organischen Chemie, indem sie hilft, die aromatischen Eigenschaften und die relative Stabilität organischer Verbindungen zu bestimmen.

10. Welche Ausnahme gibt es von der Hückel-Regel?

In einigen Fällen können Verbindungen, die nicht streng der (4n+2) Regel entsprechen, dennoch als aromatisch betrachtet werden, wenn sie eine außergewöhnliche Stabilität aufweisen. Ein Beispiel für eine solche “antiaromatic” genannte Verbindung ist Pentalen.