Правило Хюккеля — ароматической является плоская циклическая сопряженная система, содержащая 4n + 2 (где n = 0,1,2 и т.д.) π-электронов.
Немецким химиком Э. Хюккелем в 1931 на основании квантовой теории были сформулированы требования к ароматической системе.
Критерии ароматичности
- Молекула имеет циклическое строение.
- Все атомы цикла находятся в состоянии sp2-гибридизации, образуя плоский σ-скелет молекулы, перпендикулярно к которому располагаются р-орбитали атомов.
- Существует единая замкнутая сопряженная π-электронная система, охватывающая все атомы цикла.
- Число π-электронов, образующих сопряженную систему соответствует формуле 4n+2, где n = 0,1, 2, 3, 4…
Например, для бензола n=1 (6 π-электронов), для нафталина n=2 (10 π-электронов), для фенантрена и антрацена n=3 (14 π-электронов).
Структуры, содержащие в цикле хотя бы один sp3-гибридный атом, ароматическими не являются, т.к. циклическое сопряжение отсутствует.
Ароматические соединения
Бензол — плоская циклическая молекула с замкнутой системой сопряжения, в которой участвует секстет π-электронов, что соответствует правилу Хюккеля при n=1 (4⋅n+2=4⋅1+2=6).
Конденсированные ароматические соединения
Правило Хюккеля можно применить к плоским конденсированным системам, в которых нет атомов, являющихся общими более чем для двух циклов. К таким системам относятся многоядерные ароматические углеводороды — нафталин, антрацен, фенантрен и т. д.
В этих соединениях все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации, циклический σ-скелет плоский, π-электронное облако охватывает все атомы углерода циклов, число π-электронов подчиняется правилу Хюккеля (в нафталине 10, в антрацене и фенантрене 14 электронов).
Небензоидные ароматические системы
Ароматическими могут быть некоторые карбкатионы и карбанионы. В качестве примера можно привести циклопентадиенильный карбанион:
Все атомы углерода в цикле находятся в sp2-гибридизации, в молекуле имеется плоский циклический σ-скелет и единая замкнутая сопряженная система, которая образована 6 электронами. Таким образом, циклопентадиенид-анион соответствует всем критериям ароматичности.
Гетероциклические соединения
Правило Хюккеля применимо и ко многим гетероциклическим системам. Фуран, тиофен, пиррол, имидазол имеют плоское строение, и пара электронов на p-орбитали sp2-гибридизованного гетероатома используется в них для дополнения ароматического секстета. p-Орбитали перпендикулярны плоскости молекул.
Пиридин — ароматический гетероаналог бензола, у которого свободная электронная пара на атоме азота не участвует в сопряжении, и лежит в плоскости молекулы.
π-π сопряжение
Пиридин отвечает критериям ароматичности.
Все атомы цикла sp2-гибридизованы, цикл плоский, замкнутая сопряженная система π-π–типа, количество электронов удовлетворяет правилу Хюккеля – 4n+2=6.