Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 25.09.14


Hückel-Aromaten und Analoge: Besondere Eigenschaften und Strukturen

Vortrag von Tobias Winter im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 14


Gliederung:

1 Aromatizität
   1.1 Gründe für Aromatizität
   1.2 Orbitalmodell Benzol

2 Hückel-Regel

3 Weitere Beispiele

4 Literatur


Einführung

1825 entdeckte Michael Faraday eine farblose Flüssigkeit. Die Verbindung und Reaktivität standen nicht im Einklang mit bisher bekannten Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Später wurde die Molekülformel C6H6 aufgestellt und man nannte diese Flüssigkeit Benzol. August Kekulé schlug 1865 die Struktur eines konjugierten Trien vor (1,3,5-Cyclohexatrien).

Doch Benzol zeigte sich im Vergleich zu anderen bekannten Trienen ungewöhnlich stabil und reaktionsträge. Auch diese Formel passt nicht zu seiner richtigen Struktur. Kekulé fand zudem nur ein 1,2-Dibrombenzol anstatt nach seiner Theorie zwei. Kekulé`s Lösung: zwei schnell „oszillierende“ Strukturen, die eine Unterscheidung unmöglich machen. Kekulé war auf dem richtigen Weg, hatte die richtige Struktur aber noch nicht gefunden. Wie kommt diese außergewöhnliche Struktur von Benzol zustande?

Heutzutage verwendet man zur Vereinfachung mehrere Schreibweisen für Benzol. Um dessen Reaktionen zur verdeutlichen verwendet man die Schreibweise mit den konjugierten Doppelbindungen, auch wenn diese die Struktur nicht richtig widerspiegelt.

Abb. 1: verschiedene Schreibweisen für Benzol


1 Aromatizität

Für das ungewöhnliche chemische Verhalten ist ein besonderes chemisches Phänomen verantwortlich, es wird Aromatizität genannt. Für das Auftreten von Aromatizität müssen bestimmte Kriterien erfüllt sein.

1.1 Gründe für Aromatizität

Die Gründe für die Aromatizität sind, dass ein Ring vorhanden ist. Dieser muss planar sein und über konjugierte Doppelbindungen verfügen. Die Bindungen des Rings sind alle gleich lang. Die Kohlenstoffatome sind sp2-hybridisiert und der Ring verfügt über delokalisierte π-Elektronen. Zudem muss die Hückel-Regel, der Ring muss (4n+2) π-Elektronen enthalten erfüllt sein.

1.2 Orbitalmodell Benzol

Abb. 2: Orbitalmodell von Benzol

Die p-Orbitale sind in blau dargestellt, die roten Linien soll die delokalisierte π-Elektronenwolke hervorheben. Man sieht, dass die Bindungslänge identisch ist und der Ring dazu planar. Der Ring in der Strukturformel soll die delokalisierten π-Elektronen darstellen.


2 Hückel-Regel

Ein weiteres Merkmal für die Aromatizität ist die Hückel-Regel. Die Hückel-Regel ergibt sich aus dem Aufbau und der Besetzung der Molekülorbitale (MO-Theorie). Durch das Mischen der p-Atomorbitale der Kohlenstoffatome des Rings, ergibt sich eine Anzahl von π-Molekülorbitalen. Im Fall von Benzol ergibt sich somit eine Anzahl von 6 Molekülorbitalen. Alle π-Niveaus bestehen aus Paaren von je zwei Molekülorbitalen, außer das niedrigste bindende und höchste antibindende Orbital bestehen aus einem Molekülorbital. Ein stabiler Zustand ist nur möglich wenn alle bindenden Orbitale besetzt sind. Dies gelingt nur wenn eine Verbindung (4n +2) π-Elektronen besitzt. In der folgenden Abbildung sind einige Beispiele zur Verdeutlichung aufgeführt.

Abb. 3: MO-Schemata von Cyclobutadien, Benzol und Cyclooctatetraen

Das einzige Schema, bei alle bindenden Orbitale doppelt besetzt sind ist Benzol und bildet als einziges einen Aromaten. Bei Cyclobutadien und Cyclooctatetraen sind zwei Molekülorbitale einfach besetzt, was eine ungünstige Elektronenkonfiguration nach sich zieht und somit instabiler sind. Deshalb zählen diese beiden Verbindungen nicht zur Klasse der Aromate. Es ist noch erwähnenswert, dass Cyclooctatetraen nicht planar ist, was noch einmal mehr bestätigt, dass es nicht zu den Aromaten zu zählen ist.


3 Weitere Beispiele

Neben diesen klassischen monocylclischen Beispielen, gibt es noch viele weitere Aromaten. Diese können aus mehreren Ringen bestehen, Heteroatome enthalten oder geladen sein. Dennoch erfüllen sie alle Regeln, die bereits als Voraussetzung für die Aromatizität erläutert wurden. In der folgenden Abbildung sind einige Beispiele herausgegriffen.

Cyclopentadienyl-Anion Pyridin Napthalin

Abb. 4: Aromaten


Zusammenfassung: Lange Zeit gab es keine Erklärung für die richtige Struktur  von Benzol. Das Problem war das Phänomen der Aromatizität. Erst mit der Zeit wurde dieses Phänomen gelöst und man erkannte die Kriterien, die für das Vorhandensein von Aromatizität verantwortlich sind. Diese Kriterien sind: Die Verbindung muss cyclisch und planar sein. Konjungierte Doppelbindungen enthalten, die zu einem Bindungslängenausgleich führen. Alle Kohlenstoffatome sind sp2-hybridisiert und der Ring verfügt über delokalisierte  π-Elektronen. Zudem muss die Hückel-Regel erfüllt sein. Wenn alle bindenden Molekülorbitale besetzt sind ergibt sich ein stabiler Zustand. Dies ist immer der Fall bei (4n + 2) π-Elektronen. Aromaten gibt es nicht nur neutral, sondern auch im geladenen Zustand vorliegen, ebenso gibt es weitere Varianten, wie z.B. mit Heteroatomen.


4 Literatur:

  1. Vollhardt, K.; Peter C.; Schore, Neil E.: Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VHC Verlag, Weinheim, 2007.
  2. Vorlesungsskript OC4, Prof. Dr. Matthias Breuning, Lehrstuhl Organische Chemie I/2, Universität Bayreuth
  3. Vogel, Emanuel: Hückel-Aromaten, Westdeutscher Verlag, 1973.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 25.09.14