Hückel規(guī)則(休克爾規(guī)則)是有機(jī)化學(xué)的經(jīng)驗規(guī)則,它指當(dāng)閉合環(huán)狀平面型的共軛多烯(輪烯)π電子數(shù)為(4n+2)時(其中n為0或者正整數(shù)),具有芳香性。
從凱庫勒(Kekule)提出苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)苯和類苯化合物有特殊性質(zhì)(芳性)以來,人們對芳性及其和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系的研究也逐步深入,到1931年休克爾用其簡單的分子軌道法計算了單環(huán)多烯的π電子能級,提出了4n+2規(guī)則;稱為休克爾規(guī)則。隨著微擾分子軌道理論的建立和發(fā)展,使得休克爾規(guī)則的理論根據(jù)更加充分。
休克爾規(guī)則表明,對完全共軛的、單環(huán)的、平面多烯來說,具有(4n+2)個 π電子(這里n是大于或等于零的整數(shù))的分子,可能具有特殊芳香穩(wěn)定性。
隨著磁共振實驗方法的出現(xiàn),對決定一化合物是否具有芳香性起了重要的作用,并對芳香性的本質(zhì)有了進(jìn)一步的了解。因此芳香性更廣泛的含義為:分子必須是共平面的封閉共軛體系;鍵發(fā)生了平均化;體系較穩(wěn)定(有較大的共振能);從實驗看,易發(fā)生環(huán)上的親電取代反應(yīng),不易發(fā)生加成反應(yīng);在磁場中,能產(chǎn)生感磁環(huán)流;從微觀上看,π電子數(shù)符合4n+2規(guī)則。
規(guī)則作用
為什么4n+2個π電子平面單環(huán)共軛體系才具有芳香性呢?從分子軌道能級計算發(fā)現(xiàn),當(dāng)平面單環(huán)體系中的成鍵軌道數(shù)目為2 n+1時,如果有4n+2個π電子剛好能給滿成鍵軌道,從而具有類似惰性氣體的電子排布,而將具有最大的成鍵能而變得穩(wěn)定,平面或接近平面, 電子的離域才有效;當(dāng)環(huán)上的原子存在空間的排斥作用而破壞環(huán)的平面時,4n+2規(guī)則不適用。
在單環(huán)共軛多烯分子中,π電子數(shù)目符合4n+2規(guī)則具有芳香性的原因 ,可以這種體系的分子軌道能級圖得到答案。在單環(huán)共軛多烯體系的分子軌道能級圖中,都有能量最低的成鍵軌道和能量最高的反鍵軌道。對于能量最高的反鍵軌道,在p軌道是單數(shù)時有兩個(簡并軌道);在p軌道是雙數(shù)時,只有一個。其它那些能量較高的成鍵軌道和反鍵軌道或/和非鍵軌道都是兩個(簡并的)。根據(jù)休克爾理論,當(dāng)成鍵軌道充滿電子時,它們具有與惰性氣體相似的結(jié)構(gòu),因此體系趨向穩(wěn)定,除能量最低的成鍵軌道需要2個電子充滿外,其它能量較高的兩個成鍵軌道或/和非鍵軌道需要4個電子才能充滿,即只有(4n+2)個π電子才能充滿這些軌道,使體系處于穩(wěn)定,而具有芳香性 。
休克爾4n+2規(guī)則可用微擾分子軌道理論即PMO法從理論上加以證明。
在休克爾規(guī)則的啟示下,近二十年合成了芳香體系的化合物,于是出現(xiàn)了一系列非苯芳烴,及一些不含苯環(huán)結(jié)構(gòu),但具有一定程度的芳香性的烴,稱為非苯芳烴。
1. 環(huán)丁烯基二價正離子 它環(huán)上的四個碳都是sp雜化的,π電子數(shù)等于2,符合休克爾4n+2(n=0)規(guī)則,有芳香性。
2. 環(huán)丁烯基雙負(fù)離子 它的π電子數(shù)等于6,環(huán)上的四個碳位于一個平面內(nèi),符合休克爾4n+2(n=1)規(guī)則,有芳香性。
3. 環(huán)辛三烯雙正離子 它的π電子數(shù)等于6,分子形狀是平面八邊行,符合休克爾4n+2(n=1)規(guī)則,有芳香性。
4. 環(huán)壬四烯負(fù)離子 它的π電子數(shù)等于10,環(huán)上碳原子近似于一個平面,符合休克爾4n+2(n=2規(guī)則,有芳香性。
5. 十二碳環(huán)六烯雙負(fù)離子 它是通過原來的六烯環(huán)狀物的還原性電解或與鉀金屬作用以獲得,π電子數(shù)等于14,符合休克爾4n+2(n=3)規(guī)則,有芳香性。
6. 十六碳環(huán)八烯雙負(fù)離子也已制得,π電子數(shù)等于18,符合理論判斷,它有芳香性。
7. 蘭烴(又名阿族啉)是少數(shù)共軛駢聯(lián)非苯烴,有芳香結(jié)構(gòu)。此芳烴經(jīng)X射線和電子衍射法測量它的鏈長大致相近而不相等,有較大的偶極距(1.08D),指出兩個環(huán)的電荷不等環(huán)庚三烯帶正電荷,環(huán)戊二烯帶負(fù)電荷,彼此由電荷的“去”和“得”,而得到穩(wěn)定。
8.環(huán)戊二烯負(fù)離子當(dāng)環(huán)戊二烯懸浮于苯中的金屬鈉或鎂作用時形成環(huán)戊二烯金屬化合物,它在液態(tài)氨中有明顯的導(dǎo)電性,證明了環(huán)戊二烯負(fù)離子的存在。環(huán)戊二烯負(fù)離子的π電子數(shù)目為兩個雙鍵上的四個和亞甲基上的兩個,形成環(huán)狀六個π電子體系,符合休克爾4n+2規(guī)則,現(xiàn)已證明它是一個平面的對稱體系。從分子軌道理論計算結(jié)果,環(huán)戊二烯負(fù)離子是一個滿電子構(gòu)型體系,所以具有芳香性。
9.環(huán)辛四烯負(fù)離子 在環(huán)辛四烯的四氫呋喃溶液中加入金屬鉀,.環(huán)辛四烯變成二價負(fù)離子,分子形狀由環(huán)辛四烯的澡盆型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫姘诉呅?,共?0個π電子,符合休克爾4n+2規(guī)則,因此它具有芳香性。
10.環(huán)丙烯基正離子它的環(huán)是由三個sp雜化的碳和2個π電子組成的共軛體系,π電子數(shù)為2,符合爾4n+2規(guī)則,它有芳香性。
11.薁(yu,音“欲”)它是一個五元環(huán)的環(huán)戊二烯和七元環(huán)的環(huán)庚三烯稠合而成的。π電子數(shù)為10,符合休克爾4n+2規(guī)則,因此它具有芳香性。
12. 環(huán)十八碳九烯—[18]輪烯它有十八個π電子,符合爾4n+2規(guī)則。。此芳烴經(jīng)X射線證明,環(huán)中碳碳鍵長幾乎相等,整個分子幾乎處于一個平面上,扭轉(zhuǎn)不大于0.1nm。說明輪內(nèi)氫原子的排斥力很弱,它也具有一定的芳香性。
13. 1,3,5—環(huán)庚三烯正離子 它的環(huán)中亞甲基的碳是sp雜化的,有空的p軌道,使平面的七個碳原子變成環(huán)狀共軛體系,π電子數(shù)為6,符合爾4n+2規(guī)則,它有芳香性。
此外,還有同芳香性,它是指某些共軛雙鍵的環(huán)被一個或兩個亞甲基所隔開,這個亞甲基在環(huán)平面之外,是環(huán)上的π電子構(gòu)成芳香體系。如環(huán)壬三烯正離子有兩個亞甲基在環(huán)平面之外環(huán)平面的碳行成共軛體系,π電子數(shù)為6,符合爾4n+2規(guī)則,它有芳香性。