Aromatizität (Übungsvideo)

Hallo liebe Chemieinteressierte. Hier ist wieder André mit einem Video. Heute wollen wir uns mit Aromatizität befassen. Und zwar mit einer Übung. Als Einstieg habe ich einige für uns interessante Vertreter aufgeschrieben. Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, dass diese chemischen Moleküle für uns als Kandidaten überhaupt infrage kommen? Zunächst einmal müssen sie Doppelbindungen enthalten. Die Doppelbindungen müssen in konjugierter Form vorliegen. Das heißt, Doppel- und Einfachbindung müssen sich streng abwechseln. Wir werden nun jene Moleküle entfernen, die keine konjugierten Bindungen aufweisen. Als nächstes werden jene Systeme aussortiert, die keine Ringe enthalten. Eine weitere, wichtige Bedingung für Aromaten ist, dass man ihre Formeln als mindestens zwei-Kekulé-Strukturen schreiben kann. Eines der dargestellten Moleküle erfüllt diese Bedingung nicht. Die Hückelregel gibt vor, dass Systeme mit vier n Pi-Elektronen antiaromatisch sind. Das heißt, wir müssen sie aussondern. Dieses Schicksal ereilt das Cyclopentadien-Molekül. Wie verhält es sich aber mit dem Furan-Molekül, das ich mit einem Fragezeichen versehen habe? Besitzt es nicht auch nur vier Elektronen, wie Cyclopentadien? Zusätzlich können zwei einsame Elektronen des Sauerstoffatoms benutzt werden. Damit erhält das Molekül sechs Pi-Elektronen. Es ist demnach aromatisch. Wie viele Pi-Elektronen hat das mit Fragezeichen versehene Anion? Jedes Kohlenstoff-Atom liefert ein Pi-Elektron. Zusätzlich kommen noch ein Elektron dazu, das die negative Ladung bildet. Wir erhalten somit sechs Pi-Elektronen. Das Anion ist aromatisch. Aha, das Naphthalin-Molekül, das aus zwei Sechsringen besteht, ist ebenfalls aromatisch, da es ja zehn Pi-Elektronen besitzt. Dieser Schluss ist falsch, denn die Hückelregel ist nur für Monozyklen anwendbar. Ich möchte an das Video Aromatizitätskriterien erinnern. Dort wurde gezeigt, dass bei einer Ringöffnungsreaktion des Naphthalins die Energie wächst. Das bedeutet, das Naphthalin-Molekül ist aromatisch. Die Hückelregel hingegen hat im Zusammenhang mit Naphthalin nichts zu schaffen. Sie gilt nur für Monozyklen. Naphthalin ist ein Bizyklus. Und schon sind wir bei den Übungsaufgaben. Warum sind die dargestellten Ionen aromatisch? Eine einfache und richtige Antwort lautet, dass sie der Hückelregel entsprechen. Das bedeutet, dass sie jeweils über vier n plus zwei Pi-Elektronen verfügen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Für den Dreiring können wir drei Mesomere-Grenzstrukturen formulieren. Für den Fünfring fünf. Für den Siebenring sogar sieben. Das wäre ein weiteres Argument für die Stabilität der abgebildeten Ionen. Frage zwei: Sind diese Verbindungen stabil? Sie erhalten jeweils vier Pi-Elektronen im Ring und wären damit, nach der Hückelregel, antiaromatisch. Zusätzlich jedoch kann jeweils ein einsames Pi-Elektronenpaar des Heteroatoms für ein Elektronen-Sechstett genutzt werden. Daher kann die Hückelregel verwendet werden. Die Verbindungen sind aromatisch und daher stabil. Aufgabe drei: Schätzen Sie die Stabilität des großen Ringes ab. Es handelt sich hierbei um ein Annulen. Wir müssen die Pi-Elektronen zählen und wenden dann die Hückelregel an. Die Zahl der delokalisierten Pi-Elektronen beträgt 14. Wir setzen 14 gleich vier n plus zwei und erhalten n gleich drei. Das System ist somit aromatisch und stabil. Frage vier: Welche der abgebildeten Verbindungen ist aromatisch? Für die beiden ersten Moleküle fällt uns die Antwort nicht schwer. Für n gleich eins und n gleich zwei erhalten wir Werte, die der vier-n-Regel entsprechen. Somit sind das erste und das zweite Molekül antiaromatisch, instabil. Den Gegenbeweis kann man erbringen, indem man die Anzahl der Pi-Elektronen des mittleren Systems acht gleich vier n plus zwei setzt. Das ist das Aromitizitätskriterium. Löst man diese Gleichung nach n auf, erhält man eine Zahl, die nicht natürlich ist. Damit wurde gezeigt, dass das entsprechende Molekül antiaromatisch ist. Frage fünf: Welche der abgebildeten Verbindungen ist stabiler? Zur Beantwortung dieser Frage taugt die Hückelregel nicht, da sie für polyzyklische Systeme nicht geschaffen wurde. Auch die Theorie der Ringöffnung eine entsprechende Reaktion scheint hier kompliziert in der Anwendung zu sein. Daher verbleibt als letztes nur noch das Konzept der Auszählung der Kekulé-Strukturen, der mesomeren Grenzstrukturen. Für das linke Molekül, Anthracen, können neben der abgebildeten Grenzstruktur noch zwei weitere entwickelt werden. Wir erhalten somit drei mesomere Grenzstrukturen. Beim rechten Molekül, Phenanthren, verfahren wir wie folgt: Wir stellen uns vor, dass die beiden endigen Sechsringe losgelöste Benzolringe sind. Jeder von beiden kann zwei mesomere Grenzstrukturen bilden. Kombinieren wir beide, erhalten wir im Ganzen vier Kekulé-Strukturen. Zusätzlich kann man auch eine Kekulé-Struktur entwickeln, wie ich sie euch hier gezeichnet habe. Damit erhält man im Ganzen fünf mesomere Grenzstrukturen für das Phenanthren-Molekül. Phenanthren ist somit stabiler als Anthracen. Das rechte Molekül ist stabiler als das linke. Frage sechs: Wie kann man zeigen, dass Azulen aromatisch ist? Es kommen geflogen von weit her zwei Ionen, die brauchen wir sehr. Ja, so ist das Hokuspokus. Zwei Ionen, aus denen man das Azulen-Molekül aufbauen kann. Wir kennen sie bereits. Ein Kation, das aus sieben Kohlenstoffatomen besteht, und ein Anion aus fünf Kohlenstoffatomen. Zusammen bilden sie struktur mäßig das Azulen-Molekül. Schaut euch an, dass die Ionen zwei Elektronen mehr besitzen, als wir hier haben. Demzufolge müssen sich hier beide Ionen ein Elektronenpaar teilen. Dass das kein Zaubertrick ist, zeigt das Experiment, denn dort kann man sehen, dass Azulen ein Dipolmoment besitzt und zwar ein erhebliches. So, das wäre es wieder für heute. Ich hoffe, wenn ich euch etwas helfen konnte und ihr vielleicht etwas Spaß empfunden habt. Macht es gut. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.