休克爾法則（Hückel’s Rule）

休克爾法則（Hückel’s Rule）
國立新莊高級中學化學科陳偉民教師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

在有機化學中，休克爾法則可估計一個平面環狀分子是否具有芳香族的性質。在1931年，物理化學家休克爾（Erich Hückel）首先以量子力學完成此一法則的理論依據。到了1951年，馮杜靈（von Doering）將此一法則簡潔的表示為4n + 2。如果一個環狀分子的π電子數等於4n + 2，此分子即遵守休克爾法則，其中n是零或任何正整數（其實明確的例證只有從n = 0 ~ 6）。此一法則的理論是基於休克爾分子軌域計算法（Hückel’s method），再以環中粒子（particle in a ring）系統修正而得。

如果由烯類氫化所得數據作理論預測，將無法解釋芳香族化合物為何如此安定，其「額外」安定性來自非定域電子雲，又稱為共振能。判斷簡單芳香族的準則為：（1）遵守休克爾法則，在非定域電子雲中擁有4n+2個電子，（2）能形成平面環狀，（3）環中每一個原子都有一個p軌域或一對未共用電子對可參與未定域電子雲。

此處簡單芳香族是指僅由一個共振平面環狀系統組成，擁有非定域π電子雲的有機芳香族化合物。最典型的簡單芳香族為苯（benzene）及吲哚（indole）。簡單芳香族可以是雜環化合物，其中構成環的原子可能含有氧、氮、硫等非碳元素。它們可以是單環，如苯；可以是雙環，如萘（naohthalene）；可以是多環，如蒽（anthracene）。單環的簡單芳香族通常是五員環如吡咯（pyrrole），或六員環如吡啶（pyridine）。

芳香族化合物除了上述中性分子外，還有一些帶電荷的單環化合物，如環丙烯陽離子（cyclopropenyl cation），環戊二烯陰離子（cyclopentadienyl anion）等。文獻中曾經將3-氯環丙稀與SbCl₅在二氯甲烷溶液中混合，而得白色固體沈澱，此固體在室溫下可穩定存在數小時。

推測當3-氯環丙稀失去氯離子時，可形成穩定的環丙烯陽離子，遵守休克爾法則，即非定域電子雲中擁有2個π電子（4n+2，n = 0）。

環戊二烯陰離子（cyclopentadienyl anion）在鹼性條件下，可形成穩定的陰離子。此陰離子遵守休克爾法則，在非定域電子雲中擁有6個π電子（4n+2，n = 1）。

1940年代，在當時台大化學系任教的野副鐵男（Nozoe Tetsuo）教授曾從檜木萃取出檜木醇（hinokitiol），為七環的芳香族化合物。

野副鐵男（Nozoe Tetsuo）教授認為此化合物可穩定存在原因是II及III的兩性結構（dipolar structures）提供共振穩定，加上I的中性結構中具有分子內氫鍵。

當環庚-2,4,6-三烯酮V（tropone）共振形成VI時，又被稱為tropylium oxide；在酸性溶液中，藉由提供一個質子形成VII（troponium ion）。VI及VII均遵守休克爾法則，在非定域電子雲中擁有6個π電子（4n+2，n = 1）

休克爾規則的修正
休克爾法則對含有四個以上的芳香族稠環化合物不適用。例如芘（pyrene）含有16個共軛電子（8個鍵），而蔻（coronene）含有24個共軛電子（12個鍵）。這兩個多環分子都是芳香烴，但卻不遵守4n+2的法則。

在判斷π系統的性質時，休克爾分子軌域計算法與PPP法（Pariser–Parr–Pople method）較為精確。

三維法則
在2000年時，德國的化學家訂出一條法則可以判定富勒烯是否為芳香烴。他們發現如果有2(n+1)2個π電子，那麼富勒烯就會表現出芳香烴的性質。因為芳香富勒烯必須完全遵守二十面體對稱性（或其餘恰當的對稱性），因此所有分子軌域必須全部填滿。因此，唯有恰好具2(n+1)2個π電子才有可能滿足條件，其中n為非負整數。舉例而言，巴克球不是芳香烴，因為它有60個π電子，而60/2 = 30，並非完全平方。

參考資料：
Ronald. Breslow, John T. Groves, Gordon. Ryan, J. Am. Chem. Soc., 1967, 89 (19), p 5048