Αντιαρωματικότητα

Αντιαρωματικότητα ή αντιαρωματικός χαρακτήρας (αγγλικά antiaromaticity) στη Χημεία είναι ένα σύνολο χαρακτηριστικών ιδιοτήτων επίπεδων κυκλικών ενώσεων με π συζυγιακό ηλεκτρονιακό σύστημα, που έχει υψηλότερη ενέργεια εξαιτίας της παρουσίας 4n π ηλεκτρονίων σε αυτό. Αντίθετα από τις αρωματικές ενώσεις, που ακολουθούν τον κανόνα Χούκελ (Hückel's rule) και έχουν (4n+2) π ηλεκτρόνια και γι' αυτό έχουν αυξημένη σταθερότητα, οι αντιαρωματικές ενώσεις είναι πολύ ασταθείς και πολύ δραστικές χημικά. Για να αποφύγουν την αστάθεια που προκαλεί η αντιαρωματικότητά τους, τα μόρια αντιαρωματικών ενώσεων έχουν την τάση να «προσπαθούν» να αλλάξουν σχήμα, να γίνουν μη επίπεδα, και με αυτό να διακόψουν κάποιες από τις π αλληλεπιδράσεις, που προκαλούν την αστάθεια. Σε αντιδιαστολή με το διαμαγνητικό δακτύλιο που υπάρχει στις αρωματικές ενώσεις, οι αντιαρωματικές ενώσεις έχουν παραμαγνητικό δακτύλιο, που μπορεί να παρατηρηθεί με τη χρήση φασματοσκοπίας NMR.

Παραδείγματα αντιαρωματικών ενώσεων αποτελούν το πενταλένιο (A), το διφαινυλένιο (B) και το κατιόν κυκλοπροπαδιενυλίου (C). Το πρωτότυπο παράδειγμα αντιαρωματικότητας, το κυκλοβουταδιένιο, αποτελεί αντικείμενο αμφισβήτησης, με ορισμένους επιστήμονες να διαφωνούν ως προς το ότι σε αυτό η αντιαρωματικότητά του να μην είναι, ίσως, ο κύριος παράγοντας που συνεισφέρει στην αστάθειά του.  Το κυκλοοκτατετραένιο, από την άλλη, είναι παράδειγμα ένωσης που δεν υιοθετεί επίπεδη δομή για να αποφύγει την αποσταθεροποίηση από την αντιαρωματικότητά του. Αν ήταν επίπεδο, θα είχε ένα π ηλεκτρονιακό σύστημα 8 ηλεκτρονίων γύρω από το δακτύλιό του, αλλά αντί γι' αυτό υιοθετεί μια «διαμόρφωση λουτήρα», με 4 ανεξάρτητους π δεσμούς. Επειδή οι αντιαρωματικές ενώσεις είναι συχνά βραχύβιες και δύσχρηστες εργαστηριακά, η ενέργεια αντιαρωματικής αποσταθεροποίησης συχνά μελετάται με μοντελοποίηση με υπολογιστικές προσομοιώσεις αντί να ερευνάται πειραματικά.

Τεχνική ορισμού 

Τα κριτήρια της IUPAC για την αντιαρωματικότητα είναι τα ακόλουθα:

1. Η ένωση πρέπει να είναι κυκλική.

2. Η μοριακή δομή της ένωσης πρέπει να είναι επίπεδη. 

3. Το μόριο της ένωσης πρέπει να έχει ένα πλήρες π συζυγιακό ηλεκτρονιακό σύστημα μέσα στο δακτύλιο.

4. Το μόριο της ένωσης πρέπει να έχει 4n π-ηλεκτρόνια στο συζυγιακό ηλεκτρονιακό σύστημα του δακτυλίου της, όπου n είναι φυσικός αριθμός.

Η διαφορά της αρωματικότητας από την αντιαρωματικότητα βρίσκεται στο κριτήριο #4: Οι αρωματικές ενώσεις έχουν (4n+2) π ηλεκτρόνια στο π συζυγιακό ηλεκτρονιακό τους σύστημα. Οι «μη αρωματικές ενώσεις» είναι μη κυκλικές ή όχι επίπεδες ή δεν έχουν πλήρες συζυγιακό σύστημα εντός του δακτυλίου τους.

Έχοντας σύστημα επίπεδου δακτυλίου είναι ζωτικής σημασίας μεγιστοποιείται η επικάλυψη μεταξύ των p τροχιακών που σχηματίζουν το π συζυγιακό ηλεκτρονιακό σύστημα. Αυτό εξηγεί το γιατί το να είναι επίπεδο κυκλικό μόριο είναι νευραλγικό χαρακτηριστικό τόσο για την αρωματικότητα όσο και για την αντιαρωματικότητα. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, είναι δύσκολο να καθορίσει κανείς πότε ένα μόριο έχει πλήρες ή μη πλήρες συζυγιακό σύστημα απλά κοιτώντας τη δομή του. Συχνά τα μόρια κάμπτονται με σκοπό να ανακουφίσουν την παραμόρφωση που υφίστανται και αυτό έχει το δυναμικό να διακόπτει τη συζυγία. Έτσι, χρειάζεται επιπρόσθετη προσπάθεια για να καθοριστεί πότε μια συγκεκριμένη ένωση είναι πραγματικά αντιαρωματική.

Μια αντιαρωματική ένωση μπορεί να επιδεικνύει την αντιαρωματικότητά της και κινητικά και θερμοδυναμικά. Όπως θα εξηγηθεί παρακάτω, οι αντιαρωματικές ενώσεις έχουν εξαιρετικά υψηλή χημική δραστικότητα, αν και η υψηλή χημικά δραστικότητα μιας ένωσης δεν δείχνει ότι οπωσδήποτε αυτή είναι αντιαρωματική. Σίγουρα όμως η υψηλή χημική δραστικότητα είναι ένα κριτήριο που προτείνει ότι η ένωση ίσως να είναι αντιαρωματική. Μια αντιαρωματική ένωση μπορεί επίσης να αναγνωριστεί θερμοδυναμικά, με μέτρηση της ενέργειας του π κυκλικού συζυγιακού ηλεκτρονιακού συστήματος. Σε μια αντιαρωματική ένωση, η ποσότητα της ενέργειας αυτής είναι σημαντικά υψηλότερη σε σύγκριση με την αντίστοιχη μιας κανονικής μεσομερούς ένωσης.

Στην πραγματικότητα, συνιστάται ότι θα πρέπει να αναλυθεί εκτενώς η δομή μιας πιθανώς αντιαρωματικής ένωσης πριν αυτή καταταχθεί στις πραγματικά αντιαρωματικές ενώσεις. Αν η πειραματικά καθορισμένη δομή αμφισβητείται ότι υπάρχει, μια υπολογιστική ανάλυση πρέπει να πραγματοποιηθεί. Η δυναμική ενέργεια του μορίου πρέπει να δοκιμαστεί σε διάφορες πιθανές γεωμετρίες με σκοπό να αξιολογηθεί κάθε στρέβλωση από τη συμμετρική επίπεδη διαμόρφωση. Αυτή η διεργασία συνιστάται επειδή υπάρχουν πολλαπλές περιπτώσεις στο παρελθόν που ορισμένες ενώσεις θεωρήθηκαν αντιαρωματικές στα χαρτιά, αλλά αργότερα αποδείχθηκε ότι αυτό δεν είναι πλήρως αληθές. Η πιο διάσημη αλλά και πολύ αμφισβητούμενη από αυτές τις ενώσεις είναι το κυκλοβουταδιένιο.

Αντιαρωματικότητα και φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 

Ο παραμαγνητικός δακτύλιος στις αντιαρωματικές, που είναι αποτέλεσμα του απεντοπισμού των ηλεκτρονίων, μπορεί να παρατηρηθεί με φασματοσκοπία πηρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Αυτό το ρεύμα δακτυλίου οδηγεί σε «αποπροστασία» (μετατόπιση προς τα κάτω) των πυρήνων στο εσωτερικό του δακτυλίου και σε «προστασία» (μετατόπιση προς τα πάνω) των πυρήνων έξω από το δακτύλιο. Το αννουλένιο-12 είναι ένας αντιαρωματικός υδρογονάνθρακας με μόριο που είναι αρκετά μεγάλο ώστε να διαθέτει πρωτόνια και μέσα και έξω από το δακτύλιό του. Η χημική μετατόπιση για τα πρωτόνια εντός του δακτυλίου είναι 5,91 ppm, ενω για εκείνα εκτός δακτυλίου είναι 7,86 ppm, σε σύγκριση με το κανονικό εύρος 4,5 - 6,5 ppm, που ισχύει για τα μη αρωματικά αλκένια. Αυτό το φαινόμενο είναι μικρότερης έκτασης σε σύγκριση με τις αντίστοιχες μετατοπίσεις στις αρωματικές ενώσεις.

Πολλές αρωματικές και αντιαρωματικές ενώσεις (για παράδειγμα το βενζόλιο και το κυκλοβουταδιένιο) έχουν πολύ μικρά μόρια για να έχουν πρωτόνια και μέσα και έξω από το δακτύλιο, οπότε τα φαινόμενα προστασίας και αποπροστασίας τους μπορεί να είναι περισσότερο χρήσιμα για τη διάγνωση που καθορίζει αν μια ένωση είναι αρωματική, αντιαρωματική ή μη αρωματική. Η ανάλυση ανεξάρτητης πυρηνικής χημικής μετατοπισης (Nucleus Independent Chemical Shift, NICS) είναι μέθοδος υπολογισμού προστασίας (ή αποπροστασίας) στο κέντρο ενός δακτυλιακού συστήματος, με σκοπό την πρόβλεψη της αρωματικότητας ή της αντιαρωματικότητας. Μια αρνητική τιμή NICS δείχνει αρωματικότητα και μια θετική τιμή της δείχνει αντιαρωματικότητα.

Πηγές

 Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
 Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982

Σημειώσεις και αναφορές

Αντιαρωματικές ενώσεις