17.6 : קריטריונים לארומטיות ולחוק Hückel 4n + 2

כמו בנזן, ציקלובוטדיאן וציקלוקטטטראן הם תרכובות טבעתיות עם קשרים בודדים וכפולים לסירוגין. עם זאת, ההתנהגות הכימית שלהם שונה מבנזן, מכיוון שהם לא יציבים ולא ארומטיים. אז מה הם המאפיינים המבניים של תרכובות בלתי רוויות מסווגות כארומטיות?

בפעם הראשונה, אריק הוקל, פיזיקאי כימי גרמני, הסיק קבוצה של מאפיינים מבניים לתרכובת שתסווג כארומטית. זה ידוע כעת בתור הכלל של Hückel או הכלל 4n + 2. לפי כלל זה, תרכובת ארומטית חייבת להיות טבעתית, מישורית, מצומדת ברציפות, בעלת מספר אי זוגי של זוגות π אלקטרונים או 4n + 2  π אלקטרונים, כאשר n הוא מספר שלם (n = 0, 1, 2...). לכן, לתרכובת ארומטית צריך להיות 2 (n = 0), 6 (n = 1), 10 (n = 2), 14 (n = 3) וכו', מספר π אלקטרונים או 1, 3, 5, 7 וכו', זוגות של אלקטרונים π.

לדוגמה, ל-1,3,5-הקסטריאן ולבנזן יש 6 π אלקטרונים; גם אז, 1,3,5-הקסטריאן אינו ארומטי מכיוון שאורביטלי ה-p בשני אטומי הפחמן הטרמינלי אינם חופפים מכיוון שקשר אינו מחבר את הפחמנים הללו. לכן, תרכובות חייבות להיות טבעתיות כדי להיות ארומטיות.

למרות שמדובר בתרכובת טבעתית בעלת שמונה איברים עם ארבעה קשרי π רציפים, cyclooctatetraene אינו יציב ואינו ארומטי. הסיבה לכך היא ש-cyclooctatetraene אינו מישורי; הוא מאמץ קונפורמציית סירה. כתוצאה מכך, חפיפה יעילה של אורביטלי p ליצירת לולאה סגורה של ענן האלקטרונים π אינה אפשרית. יש לציין, שלא כמו בנזן, הוא עובר תגובות סיפוח.

כדי שתרכובת תהיה מצומדת באופן רציף, היא חייבת לכלול את כל הפחמנים של sp^2 מוכלא עם אורביטל p לא מוכלא מלא למחצה בכל אחד מהם. לדוגמה, ל-1,3-cyclohexadiene ו-1,3,5-cycloheptatriene יש פחמנים מוכלאים sp^3 שאין להם אורביטל p לא מוכלא, כך שחפיפה רציפה אינה ניתנת להשגה. לכן, שניהם אינם ארומטיים.

מצד שני, ציקלובוטדיאן, תרכובת טבעתית מישורית עם צימוד מתמשך, אינו יציב ואינו ארומטי. יש לו 2 זוגות של אלקטרונים π או 4 אלקטרונים π, שאינם עומדים בקריטריונים של 4n + 2 π אלקטרונים. לכן, הוא לא ארומטי.