ヒュッケル則は有機化学の重要な概念である芳香族性に関する法則です。どういう法則なのか？なぜヒュッケル則が成り立つのかざっくり解説していきます！
π電子数が (4n+2) 個である場合に芳香族性を示し、非常に安定になるという法則
一方で、 電子が環状に非局在化できる かつ 4nπ系である場合、反芳香族性を示します。
ヒュッケル法を用いて計算した場合の安定化効果から芳香族の安定化効果を見てみましょう。
ベンゼンとその直鎖状分子の1,3,5-ヘキサトリエンの分子軌道はそれぞれ以下のようになります。
この分子軌道からベンゼン、1,3,5-ヘキサトリエン、共役のない場合のそれぞれのエネルギーは以下の通りとなります。
ベンゼン 6α+8β
ヘキサトリエン 6α+7β
共役がない場合 6α+6β
ベンゼンでは環状共役がない場合と比べて2βの安定化効果があります。また、鎖状共役系である1,3,5-ヘキサトリエンと比べても、βの安定化していることから環状共役による安定化=芳香族性が見られます。
シクロブタジエンとその直鎖状分子のブタジエンの分子軌道はそれぞれ以下のようになります。
この分子軌道からシクロブタジエン、ブタジエン、共役のない場合のそれぞれのエネルギーは以下の通りとなります
シクロブタジエン 4α+2β
ブタジエン 4α+4.47β
共役がない場合 4α+4β
シクロブタジエンでは環状共役がある場合、2βの不安定化効果があります。一方、ブタジエンでは0.47βの安定化効果があることから、環状共役による不安定化=反芳香族性が見られることかがわかりました。
ベンゼンとシクロブタジエンの分子軌道をヘキサトリエンとブタジエンを環状にくっつけた時の安定化効果から考えてみます。
ヘキサトリエンをベンゼンにする場合HOMOは同位相で相互作用するために安定化します。
一方、LUMO は逆位相で相互作用するため不安定化します。この結果としてHOMO-LUMOギャップが大きくなり、また全体のエネルギーも小さくなるため安定化します。
ブタジエンをシクロブタジエンにする場合HOMOは逆位相で相互作用するために不安定化します。一方、LUMO は同位相で相互作用するため不安定化します。この結果としてHOMO-LUMOギャップが小さくなり、また全体のエネルギーも大きくなるため不安定化します。
ベンゼンとシクロブタジエンで発生する安定化効果は(4n+2)πと4nπで一般的に起こります。
つまり
電子数が(4n+2)πの時にHOMOの軌道の対称性が一致するため安定化する
ということです。
芳香族性の安定化は、分子軌道の安定化とHOMO-LUMOギャップの拡大によって説明できます。
ヒュッケル則は、分子の安定性や反応性を理解するための強力なツールです。この法則を知ることで、多くの有機化合物の性質を予測できるようになります!