17.8: Frostkreise für verschiedene konjugierte Systeme

Die Methode der eingeschriebenen Polygone steht im Einklang mit der 4n + 2-Regel von Hückel und hilft herauszufinden, ob die gegebene zyklische Verbindung aromatisch ist oder nicht. Die Verbindung ist stabil und aromatisch, wenn jedes bindende Molekülorbital (MO) vollständig mit einem Elektronenpaar gefüllt ist. Wenn jedoch die nichtbindenden oder antibindenden Orbitale mit Elektronen gefüllt sind, ist die Verbindung instabil und nicht aromatisch. Betrachten Sie die Frostkreisdiagramme für Cycloalkene mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen.

Wenn man sich die Frostkreise ansieht, erkennt man, dass die Anzahl der Bindungs-MO immer ungerade ist und die erforderliche Anzahl von π-Elektronen im Bindungs-MO entweder 2 oder 6 beträgt. Die Anzahl der Elektronen erfüllt perfekt die 4n + 2-Regel der Aromatizität . Daher sind die Verbindungen mit vollständig ausgefülltem Bindungs-MO aromatisch.

Im Fall von viergliedrigem Cyclobutadien mit 4π-Elektronen und achtgliedrigem Cyclooctatetraen mit 8π-Elektronen sind die bindenden MO vollständig gefüllt und die nichtbindenden MO jeweils einzeln besetzt. Das Vorhandensein von Elektronen in hochenergetischen, nichtbindenden MO macht sie instabil und nicht aromatisch. Das fünfgliedrige Cyclopentadienylanion, das sechsgliedrige Benzol und das siebengliedrige Cycloheptatrienylkation haben jedoch 6π-Elektronen und die entsprechenden bindenden MO sind vollständig besetzt und stabil, sodass sie aromatisch sind.

Insgesamt gelten Moleküle mit vollständig gefüllten bindenden Molekülorbitalen als aromatisch, wohingegen Verbindungen mit Elektronen in anderen Orbitalen als bindenden Molekülen nicht aromatisch sind.

Nach der Hückelschen Regel ist Benzol stabil und aromatisch, während Cyclobutadien und Cyclooctatetraen instabil und nicht aromatisch sind.

Die Aromatizität dieser Verbindungen kann aus ihren Frostkreisdiagrammen verstanden werden.

Der Frost-Kreis für Benzol besteht aus sechs π Molekülorbitalen. Alle niederenergetischen Bindungsorbitale sind vollständig mit sechs π Elektronen belegt, während die hochenergetischen Antibindungsorbitale leer sind. Daher ist Benzol stabil und aromatisch.

Die Frostkreise für Cyclobutadien und Cyclooctatetraen haben vier bzw. acht π Molekülorbitale.

Die Bindungsorbitale sind für beide Verbindungen vollständig belegt, während die nichtbindenden Orbitale einzeln belegt sind. Die Antibonding-Orbitale sind leer.

Es ist offensichtlich, dass das Vorhandensein von π Elektronen in hochenergetischen nichtbindenden Orbitalen die beiden Verbindungen instabil und nicht aromatisch macht.

Insgesamt gilt ein bestimmtes Molekül als aromatisch, wenn alle π Elektronen in bindenden Molekülorbitalen gepaart sind. Verbindungen mit Elektronen in Orbitalen, die nicht gebunden sind, sind nicht aromatisch.