Ioni aromatici: catione ciclopropenilico, anione ciclopentadienilico, ione tropilio

Gli ioni aromatici sono specie cariche che hanno la caratteristica di essere aromatici rispettando determinate regole.
Nel 1931 Hückel pubblicò uno studio teorico basato sulla teoria degli orbitali molecolari . Secondo lo studio i sistemi ciclici planari con una nuvola π ininterrotta contenenti elettroni π in numero di 4n + 2 dove n è un numero intero hanno una stabilità particolari.

Posto n = 0 si ha che un composto contenente (4 ∙ 0) + 2 = 2 elettroni π sia aromatico.
Posto n = 1 si ha che un composto contenente (4 ∙ 1) + 2 = 6 elettroni π come il benzene sia aromatico. Analogamente posto n = 2 si ha che un composto contenente (4 ∙ 2 ) + 2 = 10 elettroni π sia anch’esso aromatico.

Schematizzando:

aromatici  : 2, 6, 10. 14, 18 elettroni π

antiaromatici : 4, 8, 12, 16, 20 elettroni π

Costituiscono quindi esempi di composti aromatici il benzene, il naftalene, l’antracene e il naftacene oltre a composti eterociclici aromatici come furano, pirrolo, imidazolo, piridina, pirimidina, indolo e chinolina.

Ioni aromatici

Oltre ai composti aromatici vi sono ioni aromatici. Il più semplice dei carbocationi aromatici è il catione ciclopropenilico avente formula C₃H₃⁺

Mentre il ciclopropene non è aromatico pur presentando 2 elettroni π in quanto uno dei tra atomi di carbonio presenti nell’anello è ibridato sp³ . Quindi non ha il requisito di avere una nuvola π ininterrotta il catione ciclopropenilico ottenuto dal ciclopropene per rimozione di un idrogeno come ione H⁺ presenta tutti gli di carbonio ibridati sp².

Questo catione triangolare planare rispetta la regola di Hückel avendo 2 elettroni π ed infatti tutte le lunghezze di legame C-C sono le stesse.

Anione ciclopentadienilico

Un altro ione aromatico è l’anione ciclopentadienilico avente formula C₅H₅^– .

Esso deriva dal ciclopentadiene che presenta 4 atomi di carbonio ibridati sp² e un atomo di carbonio ibridato sp³ a cui sono legati due atomi di idrogeno.

La rimozione di uno di questi idrogeni come ione H⁺ operata, ad esempio dalla sodioammide, dà luogo alla formazione di un anione in cui il carbonio inizialmente ibridato sp³ diviene ibridato sp².

Questo anione pentagonale planare rispetta la regola di Hückel avendo (4 ∙1) + 2 = 6 elettroni π. Esso presenta cinque strutture di risonanza e la carica negativa viene condivisa in ugual misura da tutti gli atomi di carbonio

Cicloeptatriene

Il cicloeptatriene non è un composto aromatico in quanto presenta (4∙1) + 2 = 6 elettroni π come il benzene. Tuttavia ha un carbonio ibridato sp³ e quindi non ha il requisito di avere una nuvola π ininterrotta.

Il catione cicloeptatrienile, noto come ione tropilio, è ottenuto dalla reazione tra  il cicloeptatriene e il bromo o il pentacloruro di fosforo.  In esso tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp² . Presenta una struttura eptagonale planare con uguali lunghezze di legame C-C. La carica positiva è delocalizzata sui 7 atomi di carbonio del ciclo ed è quindi aromatico

L’1,3,5,7 cicloottatetraene è un composto non aromatico in quanto non è planare e ha 8 elettroni π quindi non rispetta la regola di Huckel: infatti esso dà luogo a reazioni di addizione tipiche degli alcheni.

Il dianione del cicloottatetraene C₆H₈^2- ottenuto per reazione del cicloottatetraene con il potassio manifesta proprietà aromatiche. Esso infatti presenta 10 elettroni π, una struttura ottagonale planare con uguali lunghezze di legame C-C in cui le cariche  negativa sono delocalizzate sugli atomi di carbonio del ciclo. Quindi non è aromatico