17.6 : 방향족 및 휘켈 4n + 2 규칙에 대한 기준

벤젠과 마찬가지로 사이클로부타디엔과 사이클로옥타테트라엔은 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 나타나는 고리형 화합물입니다. 그러나 화학적 거동은 불안정하고 방향족이 아니므로 벤젠과 구별됩니다. 그렇다면 방향족으로 분류되는 불포화 화합물의 구조적 특징은 무엇일까요?

처음으로 독일의 화학 물리학자인 에릭 휘겔은 방향족으로 분류되는 화합물의 구조적 특징 세트를 도출했습니다. 이는 휘겔법 또는 4n + 2 법칙으로 알려져 있습니다. 이 규칙에 따르면 방향족 화합물은 홀수 개의 π 전자 또는 4n + 2 π 전자 쌍을 갖는 고리형, 평면형, 연속 공액이어야 합니다. 여기서 n은 정수(n = 0, 1, 2…)입니다. 따라서 방향족 화합물은 2(n = 0), 6(n = 1), 10(n = 2), 14(n = 3) 등의 π 전자 수 또는 1, 3, 5, 등의 π 전자 쌍을 가져야 합니다.

예를 들어, 1,3,5-헥사트리엔과 벤젠은 6개의 π 전자를 가지고 있지만, 두 말단 탄소 원자의 p 오비탈이 겹치지 않아 결합으로 탄소가 연결되지 않기 때문에 1,3,5-헥사트리엔은 방향족이 아닙니다. 그러므로 화합물이 방향족이 되려면 고리형이어야 합니다.

사이클로옥타테트라엔은 연속된 4개의 π 결합을 갖는 팔원자 고리형 화합물이지만 불안정하고 방향족이 아닙니다. 이는 사이클로옥타테트라엔이 비평면이며, 이러한 형태가 욕조 형태를 취하기 때문입니다. 결과적으로, π 전자 구름의 폐쇄 루프를 형성하기 위한 p 오비탈의 효과적인 중첩은 실현 가능하지 않습니다. 특히, 벤젠과 달리 부가 반응을 겪습니다.

화합물이 연속적으로 결합되려면 각 탄소에 반쯤 채워져 있는 혼성화되지 않은 p 오비탈과 함께 모든 sp^2 혼성 탄소가 있어야 합니다. 예를 들어, 1,3-사이클로헥사디엔과 1,3,5-사이클로헵타트리엔은 혼성화되지 않은 p 오비탈이 없는 sp^3 혼성 탄소를 가지므로 연속적인 중첩이 불가능합니다. 따라서 둘 다 방향성은 없습니다.

반면, 연속적인 공액을 갖는 고리형 평면 화합물인 사이클로부타디엔은 불안정하고 방향족이 아닙니다. 2쌍의 π 전자 또는 4개의 π 전자를 갖고 있어 4n + 2 π 전자를 갖는다는 기준을 충족하지 않습니다. 그러므로 방향족이 아닙니다.