Hückel-Regel

Hückel-Regel – Aromaten erkennen

Die Regel zu kennen ist natürlich schön und gut – und auch sehr wichtig – aber ohne sie anwenden zu können, ist sie nutzlos. Du lernst hier Schritt für Schritt, wie du einen Aromaten erkennst und worauf du achten musst!

Aromatische Kohlenwasserstoffe

Es gibt viele aromatische Kohlenwasserstoffe. Wie der Name sagt, bestehen sie aus Kohlenstoff, Wasserstoff und sind aromatisch. Sie sehen alle relativ ähnlich aus und die Aromatizität ist vergleichsweise einfach zu erkennen. Dafür solltest du dir zunächst den bekanntesten Aromaten Benzol anschauen.

Abbildung 1: Benzol in drei unterschiedlichen Schreibweisen

Auf dem Bild siehst du drei mögliche Schreibweisen für Benzol, die dir begegnen können. Dabei ist links die Skelettformel, bei der nur das Kohlenstoffskelett gezeichnet wird, die einfachste Möglichkeit, und rechts die vollständige Strukturformel, die komplizierteste Möglichkeit Benzol zu notieren. Welchen Weg auch immer du wählst oder siehst, achte hierbei auf die oben genannte Regel und stelle dir folgende Fragen:

1. Sind [4n + 2] π-Elektronen vorhanden?
   • Egal in welche Strukturformel du schaust: Zähl die doppelten Striche und rechne diese Zahl mal zwei. Das Ergebnis sind die π-Elektronen. Hier sind 3 doppelte Striche, daher haben wir 3 x 2 = 6 π-Elektronen. Schaust du dir die Tabelle etwas weiter oben an, siehst du, dass es eine Lösung für die Formel [4n + 2] gibt, die 6 π-Elektronen ergibt, somit ist die erste Eigenschaft erfüllt.
2. Ist das Molekül cyclisch konjugiert?
   • Hierzu musst du einfach nachschauen, ob in dem betrachteten Teil des Moleküls immer abwechselnd eine Doppelbindung und eine Einfachbindung vorliegen, die einen Kreis bilden. Das ist hier der Fall, daher ist die zweite Eigenschaft ebenfalls erfüllt.
3. Ist das Molekül planar?
   • Diese Eigenschaft ist aus einer Strukturformel schwer zu sehen und manchmal gibt es Moleküle, die leicht von der Planarität abweichen und dennoch aromatisch sein können. Merk dir folgende Faustregel: Kann das Molekül aromatisch werden, indem es eine planare Struktur einnimmt, wird es das vermutlich tun, da Aromaten besonders stabil sind. Dadurch, dass alle anderen Regeln hier erfüllt sind, kann man davon ausgehen, dass das Molekül planar sein wird, was tatsächlich auch der Fall ist.

Heteroaromaten

Heteroatome sind in der organischen Chemie sämtliche Atome, die nicht Kohlenstoff oder Wasserstoff sind. Diese sind meistens Sauerstoff, Stickstoff und manchmal auch Schwefel. Diese Heteroatome können selbst ihre freien Elektronenpaare einsetzen und dem π-Elektronensystem "spenden", um ein aromatisches Molekül zu bilden. Dies passiert beispielsweise bei Furan, einem aromatischen 5-Ring mit Sauerstoff als Heteroatom:

Abbildung 2: Strukturformel von Furan

Würdest du nun wie vorher die π-Elektronen durchzählen, um die erste Eigenschaft nach der Hückel-Regel zu überprüfen, würdest du vielleicht auf 4 π-Elektronen kommen. Eine Zahl, für die es nach der Hückel-Regel keine Lösung gibt. Somit würde es sich nicht um einen Aromaten handeln.

Das Sauerstoffatom in dem Furan teilt jedoch eines seiner zwei Elektronenpaare mit dem aromatischen Ring, sodass es sich hier um 6 π-Elektronen handelt. Gehe hier einmal für dich die Hückel-Regel durch und schaue, weshalb es sich hierbei um einen Aromaten handelt.

Es wäre nur natürlich, dass du dich jetzt fragst, warum ausgerechnet das eine Elektronenpaar in den Kreis zeigt und das andere nach außen. Dies ist eine Frage die schwierig zu beantworten ist, aber hier eine kleine Faustregel: Können die freien Elektronen eines Heteroatoms dazu beitragen, dass ein Molekül aromatisch wird, werden sie das tun. Wenn nicht, dann nicht.

Ein Beispiel für einen Heteroaromaten, bei dem die Elektronen des Heteroatoms nicht zur Aromatizität beitragen, ist zum Beispiel das Pyridin. Pyridin sieht eigentlich aus wie Benzol, mit der Ausnahme, dass ein Stickstoffatom in den Ring eingebaut ist. Dieses hat ein freies Elektronenpaar und wenn du nun einfach alle Elektronen dazuzählen würdest, würdest du mit der Hückel-Regel für Pyridin herausbekommen, dass es kein Aromat ist. Daher ist es wichtig, dass dir immer bewusst ist, dass nicht zwingend alle Elektronen von Heteroatomen an der Aromatizität beteiligt sind und daher das Pyridin sehr wohl ein Aromat ist.

Abbildung 3: Strukturformel von Pyridin

Hier eine ausführlichere Erklärung: Die konjugierten Doppelbindungen kommen generell durch die Überlappung von p-Orbitalen zustande, die senkrecht zur Zeichenebene stehen. Sie sehen wie Hanteln aus, wobei anschaulich ein Ende der Hantel in den Bildschirm hinein und das andere aus dem Bildschirm heraus zeigen müsste. Hier eine Zeichnung für das Benzol:Abbildung 4: Benzol mit seinen p-Orbitalen

Die p-Orbitale stehen senkrecht auf den einzelnen Kohlenstoffatomen und interagieren miteinander. Dies können sie nur, wenn sie in derselben Richtung stehen. Jedes einzelne davon trägt ein Elektron zum aromatischen System bei.

Die freien Elektronenpaare von Heteroatomen liegen nun auch in solchen p-Orbitalen vor und können daher auch an dem aromatischen System teilnehmen. Nun kann ein p-Orbital maximal zwei Elektronen beherbergen und wir haben bei dem Sauerstoff vier Elektronen. Das heißt, dass nur zwei der vier Elektronen richtig stehen können, um mit den anderen p-Orbitalen zu wechselwirken. Die anderen würden in einer anderen Ebene stehen, da die unterschiedlichen p-Orbitale immer senkrecht aufeinander, wie Koordinatenachsen, stehen.

Aromatische Ionen

Auch Ionen können aromatisch sein. Für sie gelten ebenfalls streng die Hückel-Regeln. Hierbei kann das Ganze etwas komplizierter werden.

Bei negativ geladenen Ionen können die zusätzlichen Elektronen an der Aromatizität teilhaben. Bei negativen und positiven Ionen sorgt das Ion für weitere Konjugation und kann somit auch zur Aromatizität beitragen. Hier ein paar Beispiele von aromatischen Ionen mit ihren nicht aromatischen, neutralen Formen.

Abbildung 5: Aromatische Ionen mit ihren nicht-aromatischen nicht-aromatischen ungeladenen Formen darüber

Links sieht man das negative Ion, bei dem die negative Ladung dazu beiträgt, das π-Elektronensystem weiter zu konjugieren. Ebenfalls tragen die zwei zusätzlichen Elektronen dazu, bei 6 π-Elektronen zu erreichen, damit das Molekül aromatisch ist. Rechts davon ist ein Beispiel für ein positiv geladenes aromatisches Ion. Hierbei sorgt die positive Ladung dafür, die Konjugation über den ganzen Kreis zu gewährleisten. Es liegen 2 π-Elektronen vor, die nach der Hückel-Regel ausreichen, um ein aromatisches Molekül zu besitzen. Denk bei dem oben gesagten einmal darüber nach, warum die neutralen Formen nicht aromatisch sind.

Hückel-Regel – Antiaromaten

Mit der Hückel-Regel können ebenfalls Antiaromaten identifiziert werden. Antiaromaten sind sozusagen das genaue Gegenteil von Aromaten, daher auch der Name. Es sind Moleküle, die im Vergleich zu konjugierten Doppelbindungssystemen deutlich instabiler sind. Für sie sehen die Voraussetzungen ziemlich ähnlich aus.

Abbildung 6: Cyclooctatetraen

Oftmals sind Moleküle, die zunächst aussehen wie Antiaromaten, nicht zwingend Antiaromaten, da es oft dazu kommt, dass diese von der Planarität abweichen, um dem instabilen Zustand der Antiaromatizität zu entgehen. Ein oft genutztes Beispiel hierfür ist das Cyclooctatetraen, das zwar 8 π-Elektronen enthält, aber nicht planar ist und somit nicht antiaromatisch sein kann. Stattdessen verhält es sich wie ein einfaches Polyen.