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Hückelregel 10:47 min

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Transkript Hückelregel

Hallo liebe Chemieinteressierte, hier ist wieder Andre mit dem 2. Teil des Videos zur Aromaten-Chemie. Es heißt Hückelregel. Welche Voraussetzungen solltet ihr erfüllen? Zum Ersten solltet ihr nach wie vor gute Kenntnisse über Alkane, Alkene und Alkine besitzen. Ihr solltet als Nächstes gut mit der Hybridisierung umgehen können. Als dritten Punkt solltet ihr euch das erste Video über Benzol angesehen haben, soweit ihr über Benzol noch keine Informationen besitzt. Als Viertes möchte ich die Mesomerie nennen, die im 1. Video auch besprochen wurde und als Fünftes solltet ihr natürlich wissen, was es mit Sigma- und Pi-Bindungen auf sich hat. Als Einstieg möchte ich euch noch einmal eine der mesomeren Grenzstrukturen des Benzolmoleküls darstellen. Rechts daneben findet ihr die p-Orbitale, die sich an jedem einzelnen Kohlenstoffatom befinden. Ihr habt im ersten Video gelernt, dass diese Orbitale in Wechselwirkung treten. Einfach ausgedrückt kann man das durch 2 mesomere Grenzstrukturen I und II ausdrücken, die letztendlich ein Elektronen-Sextett bilden. Daher wird Benzol stabil. Man sagt auch, dass es sich um ein aromatisches Molekül handelt. Eine scheinbar analoge Situation findet man in einem etwas kleineren Molekül, dem Molekül Cyclobutadien-1,3. Auch hier kann man ohne Probleme 2 mesomere Grenzstrukturen aufzeichnen und als Ergebnis könnte man sich vorstellen, dass man hier 4 vollständig delokalisierte Elektronen auffindet. Der Ärger beginnt mit der Praxis. Es zeigt sich, dass Cyclobutadien äußerst instabil ist und nur sehr schwer isolierbar ist. Eine Erklärung für das unerwartete Phänomen fand der deutsche Chemiker Erich Hückel im Jahre 1931 unter Verwendung der nach ihm benannten Methode. Hückel erforschte Cyclobutadien und Benzol und andere Verbindungen einer Verbindungsklasse, die man als Annulene bezeichnet. Diese Verbindungen müssen folgenden Bedingungen genügen: 1. es muss sich um einfache Ringe handeln 2. diese Ringe müssen über Doppelbindungen verfügen und 3. es muss sich um sogenannte konjugierte Systeme handeln Das heißt, Einfach- und Doppelbindung müssen sich fortwährend abwechseln. Ich hab einmal die Eigenschaften von 3 wichtigen Annulenen in einer Tabelle zusammengestellt. Diese besitzen entsprechend 4, 6 oder 8 Pi-Elektronen. Dabei zeigt es sich, dass die Moleküle mit 4 und 8 Pi-Elektronen relativ instabil sind, während das Molekül mit 6 Pi-Elektronen über eine ausgezeichnete Stabilität verfügt. Instabile Systeme bezeichnet man als anti-aromatisch, während Systeme mit erhöhter Stabilität als aromatisch bezeichnet werden. Bereits an dieser Stelle lässt sich eine wichtige Gesetzmäßigkeit feststellen. Im Falle von 4 Pi-Elektronen kann man schreiben: 4×1, im Falle von 8 Pi-Elektronen 4×2, das heißt, in jedem Fall wird die Zahl 4 mit einer natürlichen Zahl multipliziert. Hier handelt es sich um Anti-Aromaten. Beim Aromaten Benzol mit 6 Kohlenstoffatomen hingegen schreibt man: 4×1+2. Das heißt, die Zahl 4 wird mit einer natürlichen Zahl multipliziert und anschließend wird eine 2 addiert. Und schon können wir die Hückelregel ableiten. Sie lautet: Annulene mit 4n+2 Pi-Elektronen sind stabil, aromatisch. Annulene mit 4n Pi-Elektronen sind instabil, antiaromatisch. Die Hückelregel wird auch als 4n+2 Regel bezeichnet. Was ist nun dieses n? Hat es eine besondere Bedeutung? Vielleicht physikalischer Natur? Nein, das ist nicht so. Bei n handelt es sich lediglich um eine natürliche Zahl, beginnend mit 0, 1, 2, 3 und so weiter. Ich möchte euch ein etwas größeres Molekül präsentieren, ein Vertreter der Annulene. Wir wollen einmal überprüfen, ob es sich hier um eine aromatische Verbindung handelt. Zunächst einmal müssen wir die Anzahl der Pi-Elektronen auszählen. Habt ihr gezählt? Es handelt sich um 14 Pi-Elektronen. Nehmen wir einmal an, dass die Verbindung aromatisch ist, dann muss in Übereinstimmung mit der Hückelregel gelten: 14=4n+2. Wir subtrahieren nun von beiden Seiten der Gleichung 2 und dividieren das erhaltene Ergebnis durch 4. Wir erhalten 3=n. n ist eine natürliche Zahl, also ist das abgebildete Molekül aromatisch. Die Hückelregel ist nicht nur richtig für neutrale Moleküle, man kann sie auch verwenden, wenn man zyklische Ionen betrachtet. Nehmen wir einmal das Cyclopropenyl-Kation, C3H6+. In diesem Kation haben wir 2 Pi-Elektronen und 1 positive Ladung. Man kann jetzt, unter Ausnutzung des Mesomerie-Verfahrens, 3 mesomere Grenzstrukturen einzeichnen. Führt das zur Stabilisierung? Nehmen wir einmal an, dass das Molekül aromatisch ist. Dann muss in Übereinstimmung mit der Hückelregel gelten: 2=4n+2. Wir subtrahieren 2 und dividieren beide Seiten der erhaltenen Gleichung durch 4. Das Ergebnis ist 0=n. Also eine natürliche Zahl. Damit ist das Cyclopropenyl-Kation stabilisiert, es ist aromatisch. In diesem Zusammenhang noch ein interessantes Problem: Kann das Cyclopentadien Molekül aromatisch werden? Das Molekül selber ist nicht aromatisch. Nach Abspaltung eines Proton allerdings erhalten wir ein Anion, für das man 5 mesomere Grenzstrukturen schreiben kann. Wichtig hierbei zu erkennen ist, dass nach Abspaltung des Protons, das Elektronenpaar, welches zwischen dem Wasserstoffatom und dem Kohlenstoffatom als Bindung existierte, vollständig zu den delokalisierten Elektronen gehört. Damit ergeben sich 6 Pi-Elektronen. 6 Pi-Elektronen bedeutet aber, dass wir es mit einem System zu tun haben, das dem des Benzols gleicht. Das Ion ist demzufolge stabil aromatisch. Nun wollen wir noch ein bisschen üben. Aromatisch oder antiaromatisch, entscheidet bitte selber. Schaut euch die abgebildete Verbindung an. Man nennt sie auch Pyridin. Ist sie aromatisch oder antiaromatisch? Das freie Elektronenpaar, das am Stickstoffatom nicht eingezeichnet war, gehört hier nicht zum konjugierten System. Demzufolge müssen wir nur 6 Pi-Elektronen berücksichtigen. Bei 4n+2 erhalten wir n=1, was uns wohl bekannt ist. Das Molekül ist aromatisch. Ein weiteres Beispiel. Dieses Molekül nennt man Pyrrol. Aromatisch oder antiaromatisch? Die Antwort muss lauten: aromatisch! Wundert euch das? Zu Recht denke ich. Doch hier haben wir eine andere Situation. Das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom gehört hier zum konjugierten Pi-System, wir haben 6 Pi-Elektronen, was nach der Hückelregel eine aromatische Verbindung ergibt. Zuletzt noch eine ganz, ganz, ganz wichtige Bemerkung: Die 4n+2 Regel von Hückel gilt nur, nur, nur für einfache Ringe - Monozyklen. So, dass war es wieder für heute. Es würde mich freuen, wenn ich euch auf einem nächsten Video wieder treffen könnte. Alles Gute und viel Erfolg, tschüss!

10 Kommentare
  1. mal wieder hervorragende Arbeit wie immer :)

    Von Christian O., vor 10 Monaten
  2. Hallo,
    hat diese Frage etwas mit dem Video zu tun. Ich verstehe sie leider nicht.
    Bei Erfüllung der Hückel - Regel muss die Zahl der π - Elektronen 4n + 2 betragen, n muss natürlich sein (n = 0, 1, 2, 3, ...). Wenn ich wie beim Cyclobutadien als Elektronenzahl 4 habe, so kann ich den Ansatz
    4 = 4n +2
    machen.
    Wir subtrahieren 2 (-2).:
    2 = 4n
    Wir dividieren durch 4(:4):
    1/2 = n
    Seitentausch und Darstellung als Dezimalzahl:
    n = 0,5
    n ist somit nicht natürlich (n = 0, 1, 2, ...)
    Schlussfolgerung:
    Beim Cyclobutadien handelt es sich um keine aromatische Verbindung.
    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  3. Woher kommt bei p-Elektronenformel n-Zahl Bsp. 4.1/4.1+2/4.2?
    Woher Leitet sich die Formel ?

    Von Petrovv92, vor etwa 4 Jahren
  4. Ich hab mir mal das Merocyanine 540 angeschaut (Wikipedia).
    Das einzige, was da aromatisch ist, ist der Benzolring. Notwendige aber noch nicht hinreichende Bedingung für die Aromatizität sind:
    1. konjugierter Ring
    2. mindestens zwei mesomere Grenzstrukturen (gemeint sind "natürliche", also nicht solche, wo die Elektronenpaare künstlich lokalisiert werden, um positive und negative Ladungen zu produzieren)

    Beim zweiten Ring lässt sich nur eine Struktur schreiben. Damit ist die Bedingung für Aromatizität NICHT erfüllt. Überhaupt gibt es nur eine elektronische Struktur bis auf den Benzolring. Daher: NICHT aromatisch!
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 5 Jahren
  5. Merocyanine sind nicht aromatisch oder ?? Aber warum ?

    Von Sara111, vor mehr als 5 Jahren
  1. sehr gut erklärt vielen Dank für die top Videos!!

    Von Deniz C, vor fast 6 Jahren
  2. Konjugierte Bindungen sind möglich, oder dieslben in Kombination mit einem Elektronenpaar oder einer positiven Ladung. Natürlich ist Cyclopentadien nicht aromatisch. Dafür aber das Cyclopentadienyl-Anion. Du kannst dafür 5(!) Valenzformeln schreiben. Das Molekül ist stabilisiert. Die Begründung liefert die Hückelregel. Sie wird mit Hilfe der einfachsten quantenchemischen Methode, der Hückel-MO-Methode hergeleitet und gilt ausschließlich für konjugierte Monocyclen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  3. Warum können wir bei Cyclopropenyl Kation die Hückelregel anwenden?
    Die Hückelregel wird hier verletzt, da wir hier nicht konjugierte Bindungen haben.
    Genauso auch bei Cyclopentadien sind die Bindungen nicht Konjugiert.
    Bei der Abspaltung von einem H+ bei Cyclopentadien wird die Anzahl der pi-Elektronen 6. Wie kann ich dabei die Anzahl der Pi Elektronen bestimmen.

    Von Akoezbek Cansu, vor mehr als 6 Jahren
  4. Pyridin ist aromatisch. Die freien Elektronen werden hier nicht gebraucht. Pyrrol ist auch aromatisch. Hier braucht man das freie Elektronenpaar.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 7 Jahren
  5. Warum ist Pyridin nicht aromatisch? Ist es weil die zwei freien Elektronen geomatrisch so angeordnet sind dass sie nicht in das Pi System reingehen? Es ist doch eigentlich auch sp2 hybridisiert wie die C Atome...

    Und warum gehen die freien Elektronen beim Pyrol in das Pi System rein?

    Von Mischka, vor fast 7 Jahren
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Hückelregel Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Hückelregel kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Hückel-Regel wieder.

    Tipps

    Die Hückel-Regel gilt für geschlossene Ringsysteme mit konjugierten Doppelbindungen.

    $\pi$-Elektronen bilden die zweite Bindung der Doppelbindung.

    Lösung

    Die Hückel-Regel dient der Identifizierung von Aromaten. Absolut zutreffend ist sie nur für einzelne Moleküle, die einen geschlossen Ring bilden und dabei vollständig konjugiert sind. Das bedeutet, es müssen sich Einfach- und Doppelbindung immer abwechseln.

    Ausschlaggebend ist die Anzahl der in den Doppelbindungen enthaltenen $\pi$-Elektronen. Ist ihre Anzahl $4~n~+~2$, so ist das Molekül aromatisch und somit stabil. Für das $n$ kannst du jede natürliche Zahl einsetzen (also 1, 2, 3, usw.). Sind nur $4~n$ $\pi$-Elektronen vorhanden, so ist das Molekül antiaromatisch. Dies hat eine Destabilisierung zur Folge.

  • Erkläre die Begriffe Mesomerie und konjugierte Doppelbindung.

    Tipps

    Hier liegen zwei konjugierte Doppelbindungen vor.

    Dies sind die mesomeren Grenzstrukturen des Acetat-Ions.

    Lösung

    Mesomere Grenzstrukturen treten auf, wenn $\pi$-Elektronen in konjugierten Systemen delokalisiert sind. Das bedeutet, sie wechselwirken mit den anderen Orbitalen, in denen sich $\pi$-Elektronen befinden und können sich daher im Molekül bewegen. Sie besitzen also keinen festen Platz. Die eigentliche Elektronenstruktur der Moleküle liegt irgendwo zwischen diesen Zuständen (mesomere Grenzstrukturen). Dadurch enthält das Molekül weniger Energie und ist so stabiler.

  • Erkläre die Stabilisierung von aromatischen Systemen durch die Delokalisierung der $\pi$-Elektronen.

    Tipps

    Wenn sich die $\pi$-Elektronen in einem Molekül auf verschiedene Arten anordnen können, spricht man von Mesomerie.

    Delokalisierte Elektronen können sich über mehrere Orbitale bewegen.

    Lösung

    Aromatische Systeme zeichnen sich durch ihre Mesomerie aus. Die konjugierten Doppelbindungen eines aromatischen Systems ermöglichen es den $\pi$-Elektronen, sich über das Molekül zu verteilen. Man spricht von delokalisierten $\pi$-Elektronen, da ihnen kein bestimmter Platz zugewiesen werden kann.

    Dies bewirkt eine Energieabsenkung, wodurch das gesamte System stabilisiert wird. Je mehr mesomere Grenzstrukturen ein System aufweist, desto stabiler ist es.

  • Entscheide mithilfe der Berechnung der Hückel-Regel, ob das gezeigte Molekül aromatisch ist.

    Tipps

    Die $\pi$-Elektronen bilden die zweite Bindung einer Doppelbindung.

    Wenn $n$ eine natürliche Zahl ist, ist das Molekül aromatisch. Natürliche Zahlen sind alle ganzen Zahlen, z.B. 4, 5 und 6.

    Lösung

    Zuerst zählst du die $\pi$-Elektronen des Systems. In jeder Doppelbindung stecken zwei davon. Daher besitzt das gezeigte Molekül $14$ $\pi$-Elektronen. Diese Zahl wird nun in die Hückel-Regel eingesetzt, um zu berechnen, ob $n$ eine natürliche Zahl annimmt. Dafür musst du die Formel nach $n$ umstellen. Du subtrahierst also 2 von jeder Seite und teilst dann beide Seiten durch 4. Für $n$ ergibt sich so ein Wert von $3$. $n$ ist demnach eine natürliche Zahl und das Molekül ist aromatisch.

  • Bestimme die Anzahl der $\pi$-Elektronen.

    Tipps

    In jeder Doppelbindung befinden sich 2 $\pi$-Elektronen.

    Du multiplizierst also die Anzahl der Doppelbindungen mit 2 und erhältst die Anzahl der gesuchten Elektronen.

    Lösung

    An der Zahl der $\pi$-Elektronen kann man erkennen, ob ein monocyclisches System aromatisch ist oder nicht. Daher ist es wichtig, diese Anzahl zu erkennen. In jeder Doppelbindung stecken zwei $\pi$-Elektronen. Sie liegen in der Bindung nicht auf der Verbindungslinie zwischen den Kernen, sondern darüber und darunter. Die Bindung, die durch Überlappung der Orbitale auf der Verbindungslinie zwischen den Kernen zustande kommt, wird Sigma-Bindung ($\sigma$-Bindung) genannt.

    $\pi$-Bindungen sind normalerweise recht reaktionsfreudig, da die Bindung unter Spannung steht. In aromatischen Systemen allerdings besteht durch die Delokalisierung der $\pi$-Elektronen und die damit verbundenen mesomeren Grenzstrukturen eine Stabilisierung.

  • Entscheide, welche Verbindungen aromatisch sind.

    Tipps

    Aromaten müssen cyclische Bestandteile aufweisen.

    Die enthaltenen Doppelbindungen müssen konjugiert sein, damit das Molekül aromatisch ist.

    Lösung

    Aromaten sind cyclische Verbindungen, die ein vollständig konjugiertes $\pi$-Elektronen-System besitzen. Die Hückel-Regel ist nur bei Monocyclen zu 100% zutreffend. Wenn mehrere Ringe aneinander gefügt werden, gilt sie nur, wenn dies in einer Reihe geschieht.

    Toluol (Bild 3) wird als Lösemittel in der Lack- und Kunststoffindustrie genutzt. Die aromatische Verbindung Naphtalin (Bild 2) wird zur Herstellung von Phtalsäureanhydrid verwendet, was zur Synthese von Kunststoffen eingesetzt wird.

    Bild 4 zeigt Naphthochinon. In dieser Verbindung sind 2 Sauerstoffatome doppelt an ein Ringsystem gebunden. Die Doppelbindungen zu den Sauerstoffatomen stehen mit den anderen Doppelbindungen der Verbindung in Konjugation. Dadurch erweitern die enthaltenen $\pi$-Elektronen das delokalisierte $\pi$-Elektronensystem des Aromaten. Infolgedessen ist das gesamte System stabilisiert und Naphthochinon gilt als Aromat.