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Organic Chemistry

휘켈 규칙, Huckel's Rule



  방향족 화합물은 전에서 정의한 것처럼 벤젠benzene과 비슷한 화합물을 말한다. 하지만 벤젠의 어떤 성질을 화합물이 가져야만 방향족 화합물이라고 말할 수 있을까? 어떤 성질이 방향족 화합물이 공통적으로 가지고 있을까? 


 실험적인 경험을 기준으로 삼으면, 방향족 화합물의 분자식은 아주 높은 불포화도degree of unsaturation를 가지고 있지만 다른 불포화 화합물들의 성질과는 다르게 첨가 반응addition reaction을 잘 일으키지 않는다. 첨가 반응 대신 방향족 화합물은 친전자성 치환 반응electrophilic substitution reaction을 더 선호한다. 




휘켈 규칙, Huckel's Rule


 방향족 화합물은 고리를 이루고 있고 단일결합과 이중결합이 반복되어 콘쥬게이트conjugate되어 있다. 하지만 고리와 콘쥬게이트 되어 있다고 해서 모두가 방향족인 것은 아니다. 방향족을 띠기 위한 조건을 휘켈 규칙, Huckel's Rule이라고 한다. 휘켈 규칙은 총 네가지이며, 이 네가지를 모두 만족한 것은 방향성을 띤다.


 1. 고리 화합물이여야 한다.

 방향성을 띠기 위해서 각각의 p 오비탈orbital은 서로 겹쳐져야overlap 한다.


 벤젠에서 6개의 탄소 원자에 있는 p 오비탈은 연속적으로 서로 겹쳐진다. 1,3,5-hexatriene은 마찬가지로 여섯개의 p 오비탈을 가지지만 끝의 두개의 탄소는 서로 겹쳐지지 않게 되고, 1,3,5-hexatriene은 방향족 화합물이 아니게 된다.

 2. 고리에 있는 모든 원자가 한 평면에 있어야한다.

 모든 p 오비탈들은 한 평면에 정렬되어 있어야 π 전자 밀도가 비편재화delocalized된다. 




 사이클로옥타테트라엔Cyclooctatetraene은 벤젠처럼 고리화합물이며 이중결합과 단일결합이 번갈아 있다. 하지만 cyclooctatetraene은 욕조처럼 휘어져있다. 평면이 아니게 되어 π 결합끼리 겹칠 수 없게 된다. 따라서 cyclooctatetraene은 방향족 화합물이 아니며, 다른 alkene과 같은 반응성을 보이게 된다.



 3. 분자는 완전히 콘쥬게이트conjugate되어 있어야 한다.

방향족 화합물은 모든 원자에 p 오비탈을 가지고 있어야한다.




벤젠benzene은 모든 탄소 원자에 p 오비탈이 있다. 하지만 1,3-cyclohexadiene과 1,3,5-cycloheptatriene은 각각 두개, 한 개의 탄소에 p 오비탈이 없다. Conjugate되어 있긴 하지만 고리 전체를 따라 conjugate되어 있지 않고 따라서 방향족 화합물이 아니다.


 4. 분자는 휘켈 규칙, Huckel's Rule이라는 특정한 수의 π 전자를 가져야한다.

 아래 cyclobutadiene처럼 위의 세개의 규칙을 모두 만족하지만 방향족 화합물과 같은 안정성을 가지지 않는다. 이 화합물은 매우 높은 반응성을 가져서 매우 낮은 온도에서 보관해야만 한다.




 즉, 위의 세 가지 조건 말고도 한 가지 조건이 더 있는데 이는 특정한 수의 π 전자를 가져야하는 것이다. 이는 Erich Huckel이 처음으로 1931년에 발견했고 아래의 휘켈 규칙으로 정립했다.


- 방향족 화합물은 4n + 2개의 π 전자를 가져야한다. 

- 평면 고리를 이루는 원자가 모두 p 오비탈을 가졌더라도 4n 개의 π 전자를 가진 분자는 불안정하고 이를 반방향족성antiaromatic이라고 한다. 


 4n+2를 만족하는 2, 6, 10, 14 개의 π 전자를 가진 분자는 방향족aromatic이며, 벤젠은 6개의 π 전자를 가져서 안정하다. Cyclobutadiene은 4개의 π전자를 가져서 매우 불안정하다.

 

 방향족성Aromaticity을 고려하면 모든 화합물은 3가지 중 하나로 분류할 수 있다.


방향족

Aromatic

 평면 고리에 완전히 conjugate된 화합물이며 4n + 2 개의 π전자가 있다.

반방향족

Antiaromatic

 평면 고리에 완전히 conjugate된 화합물이며 4n 개의 π전자가 있다. 

방향족이 아님

Nonaromatic

 위의 4가지 중 한 개라도 해당되지 않는 화합물이다.