Hückel-Regel

Die Hückel-Regel, benannt nach dem deutschen Chemiker und Physiker Erich Hückel, wird verwendet, um zu erkennen, ob es sich bei einem Molekül um einen Aromaten handelt. Sie wird hergeleitet aus dem Hückel-Molekülorbital-Modell (HMO-Modell), einer Methode der Quantenchemie zur Bestimmung der Molekülorbitale in konjugierten π-Systemen. Sie gibt daher an, welche konjugierten π-Systeme besonders stabil sind – das sind unsere Aromaten.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Die Aromaten bilden eine Stoffklasse, die zunächst nach ihren besonders aromatischen Gerüchen benannt wurde. Es stellte sich heraus, dass Aromaten eine besondere Stabilität im Vergleich zu vergleichbaren nicht-aromatischen Molekülen besitzen. Deswegen bringen sie auch eine ganze Sorte neuer Reaktionen und Reaktivitäten mit sich.

    Nach der Hückel-Regel sind Moleküle aromatisch, die folgende Voraussetzungen erfüllen:

    • [4n + 2] π-Elektronen
    • Cyclisch konjugiertes Molekül
    • Planar

    Das heißt, eine planare, cyclisch konjugierte Verbindung ist aromatisch, wenn sie [4n + 2] π-Elektronen besitzt. Hierbei ist n eine beliebige natürliche Zahl, also eine der ganzen Zahlen nach dem Schema0, 1, 2, 3, und so weiter. Du musst also natürliche Zahlen in die Formel einsetzen und überprüfen, ob du damit auf die Anzahl der cyclisch konjugierten π-Elektronen in deiner Verbindung kommst.

    Wert für nRechnungAnzahl an π-Elektronen
    n = 04 x 0 + 2 = 22 π-Elektronen
    n = 14 x 1 + 2 = 66 π-Elektronen
    n = 24 x 2 + 2 = 1010 π-Elektronen
    n = 34 x 3 +2 = 1414 π-Elektronen

    Hast du also einen Stoff mit beispielsweise 60 π-Elektronen, stellst du die Gleichung auf. Diese stellst du nach n um und schaust, ob eine natürliche Zahl dabei herauskommt. Sollte dies der Fall sein, handelt es sich bei dem Stoff um einen Aromaten.

    π-Elektronen sind die Elektronen, die an Doppel- oder Mehrfachbindungen beteiligt sind. Jeder zusätzliche Strich zur Einfachbindung beschreibt also zwei π-Elektronen. Beachte hier aber, dass in einer Dreifachbindung aus räumlichen Gründen nur zwei der vier beteiligten π-Elektronen mit einer anderen Doppelbindung konjugiert sein können.

    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.

    Hückel-Regel Aromaten erkennen Benzol Schreibweisen StudySmarterAbbildung 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

    Heteroaromaten sind Aromaten, bei denen einzelne Atome aus dem Kohlenwasserstoffgerüst durch Heteroatome ausgetauscht wurden.

    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:

    Hückel-Regel Heteroaromaten Furan StudySmarterAbbildung 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.

    Wird der Sauerstoff durch Stickstoff ausgetauscht handelt es sich übrigens um Pyrrol, dass aufgrund der 5 Valenzelektronen von Stickstoff zusätzlich einen Wasserstoff am Stickstoff gebunden haben muss. Ebenso kann der Sauerstoff durch Schwefel ausgetauscht werden, dann handelt es sich um Thiophen.

    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.

    Hückel-Regel Heteroaromaten Pyridin StudySmarterAbbildung 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:Hückel-Regel p-Orbitale Benzol Heteroaromaten StudySmarterAbbildung 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.

    Hückel-Regel aromatische Ionen Cyclopentadien Cyclopentadienyl StudySmarterAbbildung 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.

    Nach der Hückel-Regel sind Moleküle antiaromatisch, die folgende Voraussetzungen erfüllen:

    • [4n] π-Elektronen
    • Cyclisch konjugiertes Moleküldfsdf
    • Planar
    Hückel-Regel Antiaromaten Cyclooctatetraen StudySmarterAbbildung 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.

    Hückel-Regel - Das Wichtigste

    • Nach der Hückel-Regel sind Moleküle aromatisch, die folgende Voraussetzungen erfüllen:
      • [4n + 2] π-Elektronen
      • Cyclisch konjugiertes Molekül
      • Planar
    • Es gibt folgende Arten von Aromaten:
      • Aromatische Kohlenwasserstoffe
      • Heteroaromaten
      • Aromatische Ionen
    • Nach der Hückel-Regel sind Moleküle antiaromatisch, die folgende Voraussetzungen erfüllen:
      • [4n] π-Elektronen
      • Cyclisch konjugiertes Molekül
      • Planar
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Hückel-Regel

    Was ist das n in der Hückel-Regel?

    Das n ist eine beliebige natürliche Zahl. n kann also 0, 1, 2, 3 und so weiter sein.

    Wie erkennt man einen Aromaten?

    Einen Aromaten erkennt man anhand der Hückel-Regel. Nach der Hückel-Regel sind Moleküle aromatisch, die folgende Voraussetzungen erfüllen:

    • [4n + 2] π-Elektronen
    • Cyclisch konjugiertes Molekül
    • Planar

    Wie zählt man Pi Elektronen in einer Verbindung?

    Jeder doppelte Strich in der Strukturformel steht für zwei Pi Elektronen. Außerdem können freie Elektronenpaare von Heteroatomen und negative Formalladungen mit zwei Pi Elektronen dazuzählen.

    Was bedeutet Aromate?

    Die Aromate sind eine Stoffklasse in der organischen Chemie. Der Name kommt von den aromatischen Gerüchen, die alle Stoffe der Stoffklasse gemeinsam haben. Aromaten sind bekannt für ihre besondere chemische Stabilität und Reaktivität.

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