Hlavní obsah
Organická chemie
Kurz: Organická chemie > Kapitola 9
Lekce 2: Aromatická stabilitaAromatické heterocykly II
Aromaticita pyrolu, imidazolu a thiofenu. Tvůrce: Jay.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
V posledním videu jsme si pomocí
kritérií aromaticity ukázali, že i heterocykly mohou být aromatické. V tomto videu se podíváme
na více aromatických heterocyklů, konkrétně na pětičlenné cykly. Začneme pyrrolem,
který mám tady dole Molekula pyrrolu má,
jak vidíte, pět atomů v kruhu. Pokud se podíváme na uhlíky,
které jsou součástí cyklu, můžeme vidět,
že všechny tyto uhlíky mají dvojnou vazbu. To znamená, že každý z těchto
uhlíků má sp² hybridizaci, čili že každý z nich
má volný p-orbital. Takže můžeme nakreslit volný p-orbital
na každém ze 4 uhlíků. Teď se podíváme
na dusík v heterocyklu. Potřebujeme zjistit
hybridizaci tohohle dusíku. Nejlepší způsob, jak to udělat,
je spočítat si sterické číslo. Sterické číslo je rovno počtu sigma vazeb
plus počet volných elektronových párů. Vidíme jednu sigma vazbu, další sigma
vazbu a tady je taky sigma vazba. Tři sigma vazby plus
volný elektronový pár. Volný elektronový pár je tady na dusíku,
takže sterické číslo by mělo být 4, což by ukazovalo
na sp³ hybridizaci pyrrolu. My ale víme, že to tak není,
protože pyrrol je aromatická sloučenina. Pokud by byl dusík sp³ hybridizovaný,
neměl by žádné volné p-orbitaly, což by odporovalo
první podmínce aromaticity. Dusík tedy musí
být sp² hybridizovaný. Jak to udělat jsme si ukázali na
konci předchozího videa. Volný elektronový pár na dusíku
není lokalizovaný na dusíku. Můžeme jej vzít a přesunout ho sem,
takže se může účastnit rezonance. Pokud se volné elektronové
páry přesunou sem, vytvoří se pí vazba, a tím tyto elektrony
přeskočí na uhlík. Rezonanční struktura
bude mít dusík s pí vazbou a volný elektronový pár na uhlíku,
který tím získá záporný formální náboj. Pokud je pí vazba pořád tady,
dusík má +1 formální náboj. Podíváme se
na hybridizaci tohoto dusíku. Jako vždy si spočítáme
sigma vazby. Jedna sigma,
dvě, tři sigma vazby. Tři sigma vazby a tentokrát
žádný volný elektronový pár, protože ten je nyní
delokalizován v rezonanci. 3 plus 0 je 3. Z toho vyplývá,
že dusík má hybridizaci sp². S touto hybridizací je
spojen volný p-orbital. Nakreslíme si
p-orbital na dusíku. Pokud budeme kreslit
elektrony jako body... Tyto dva elektrony budou
ve skutečnosti delokalizovány a budou se účastnit rezonance. Volný elektronový pár v tomto p-orbitalu
je ve skutečnosti delokalizovaný. Všechny tyto pí elektrony
jsou delokalizované v kruhu. Podívejme se na
podmínky aromaticity. Pyrrol obsahuje kruh
překrývajících se p-orbitalů a má 4+2 pí elektronů v kruhu. Zvýrazníme si je. Máme tyto pí elektrony, takže dva. Tyhle pí elektrony, dohromady čtyři. a tyto růžové pí elektrony, které jsou
ve skutečnosti delokalizované v kruhu. Dohromady tedy máme šest pí elektronů. Pokud 'n' je rovno 1, pak 4 krát 1 plus 2
nám dává šest pí elektronů. Pyrrol má tedy šest pí elektronů
a kruh překrývajících se p-orbitalů, takže o něm můžeme říct,
že je aromatický. Podívejme se na další molekulu,
která je mu velmi podobná. Toto je imidazol. Imidazol je podobný případ jako pyrrol,
v cyklu je přítomen dusík. Na první pohled to vypadá,
že dusík by mohl mít hybridizaci sp³. Rezonanční struktury
nám to však vyvrátí. Můžeme vzít tyto elektrony
a přesunout je sem, tím tyto elektrony
přeskočí na horní uhlík. Nakreslíme si
rezonanční strukturu. Máme tu pí elektrony. Tady bychom měli dvojnou vazbu. Na tomto uhlíku bychom
měli formální náboj +1 a na horním dusíku
máme −1 formální náboj. Proto vidíme, že modrý dusík
má zase hybridizaci sp². Zvýrazníme si ho modře
tady na pravé straně. Tento dusík má hybridizaci sp², takže tu máme přesně stejnou situaci,
kterou jsme viděli u pyrrolu. Na první pohled to vypadá, že by tyto elektrony mohly
být lokalizované na dusíku, ale pravdou je,
že nejsou. Jsou delokalizovány na kruhu
kvůli možné rezonanční struktuře. Určili jsme, že modrý dusík, na který je
navázán vodík, má hybridizaci sp². Díky tomu, že má modrý dusík s vazbou na
vodík hybridizaci sp², má i p-orbital, Ten si sem nakreslíme. Pokud se zaměříme
na uhlíky v této molekule. Zvýrazníme si je červeně. Tyto tři uhlíky jsou vázané dvojnou
vazbou, takže mají hybridizaci sp². Na těchto uhlících si ty
p-orbitaly nakreslíme. Vrátíme se k původnímu
elektronovému vzorci, ale zaměříme se na dusík. Tenhle dusík si
nakreslíme růžově. Podívejme se na první
elektronovou strukturu. Je to stejné jako u pyridinu,
který jsme viděli v minulém videu. Má hybridizaci sp². A protože má hybridizaci sp²,
růžové elektrony se účastní rezonance a modré elektrony jsou
lokalizovány na dusíku. Konkrétně se nachází v sp²
hybridizovaných orbitalech. Proto si můžeme tento
dusík označit růžovou. Tento růžový dusík
má hybridizaci sp². Je to stejné jako u pyridinu. Nakreslíme si na něm p-orbital. Modrý volný elektronový na dusíku
se nachází v sp² orbitalu. Tyto elektrony nejsou
zahrnuty do rezonance. Tyto elektrony jsou
lokalizovány na dusíku. Zamyslíme se nad
podmínkami aromaticity. Prvním kritériem je mít
překrývající se p-orbitaly. Vidíme, že to je náš případ. Máme překrývající se p-orbitaly. Všechny atomy v našem kruhu
mají hybridizaci sp². Navíc potřebujeme
také mít 4n+2 pí elektronů. Označíme si růžově elektrony. Vrátíme se zpět
ke strukturnímu vzorci. Počítáme pí elektrony,
tady jsou dva, tady čtyři. A tady máme volný
elektronový pár na dusíku. Toto jsou ve
skutečnosti pí elektrony. Zamyslíme se nad rezonanční strukturou,
opět si označíme elektrony růžově. V molekule imidazolu
máme šest pí elektronů. A tyto pí elektrony jsou
delokalizované na kruhu, kolem těchto
překrývajících se p-orbitalů. Imidazol je tedy také aromatický. Molekula imidazolu je neobyčejně
důležitá v biochemii. Ukážeme si známou molekulu,
která obsahuje imidazolový kruh. Tato molekula se nazývá histamin. Každý, kdo trpí alergiemi,
slyšel o histaminu. V molekule histaminu
vidíme imidazolový kruh. Pokud chceme
porozumět biochemii, je velmi užitečné pochopit
koncepty organické chemie. Histamin je příkladem
biogenního aromatického heterocyklu. Tato část molekuly, imidazolový kruh,
je aromatická. Splňuje podmínky aromaticity,
jak jsme viděli. Ukážeme si ještě jeden příklad
aromatického heterocyklu. Tentokrát si ukážeme
příklad se sírou. Tato molekula se
nazývá thiofen. Tohle sírový analog molekuly pyrrolu,
kterou jsme si už ukazovali. Začneme určením sterického čísla síry. Podíváme se na síru. Její sterické číslo zjistíme
sečtením sigma vazeb daného atomu. Tady je sigma vazba, tady taky. Sterické číslo se rovná součtu sigma
vazeb s volnými elektronovými páry. Kolem síry jsou dva
volné elektronové páry, čili 2 plus 2, což jsou 4. To nám naznačuje,
že síra má hybridizaci sp³. To ale neodpovídá aromaticitě,
aby byla molekula aromatická, atomu v cyklu musí
mít hybridizaci sp². Pak totiž mají volný p-orbital,
stejně jako tyto uhlíky. Všechny uhlíky jsou vázány dvojnou vazbou,
takže všechny tyto uhlíky mají p-orbital. K uhlíkům si načrtneme p-orbitaly. Tahle síra vypadá jako
by měla hybridizaci sp³. ale bude to podobný příklad
jako u molekuly pyrrolu. Můžeme vytvořit rezonanční
strukturu této molekuly thiofenu. Můžeme si vzít jeden z volných
elektronových párů, třeba ten napravo, a ty přesunout sem za tvorby pí vazby
mezi sírou a tímhle uhlíkem. To samozřejmě odsune
tyto elektrony na uhlík. V rezonanční struktuře je nyní
pí vazba mezi sírou a tímto uhlíkem. Volný elektronový pár
se přesunul na tento uhlík, díky tomu získal formální náboj −1. Tady je stále volný
elektronový pár... Vlastně bychom
měli říct pí vazba. A tady zůstal volný
elektronový pár na síře. Síře tedy dáme formální náboj +1. Znovu určíme její sterické číslo,
takže si spočteme sigma vazby. Tohle je sigma vazba,
tohle je také sigma vazba, takže sterické číslo se rovná dvěma
plus počet volných elektronových párů, to je teď jen jeden,
takže 2 plus 1 se rovná 3. Teď už vidíme, že síra má hybridizaci sp²,
má tedy tři sp² hybridizované orbitaly. Jeden z těchto sp² hybridizovaných orbitalů
bude obsahovat modrý volný elektronový pár. Bude to tenhle
volný elektronový pár. Orbital má hybridizaci sp², což znamená,
že má další 2 sp² hybridizované orbitaly. Tyto orbitaly tvoří
vazby s těmito uhlíky. Protože mají hybridizaci sp², je tu
ještě jeden nehybridizovaný p-orbital. Nakreslíme si nehybridizovaný p-orbital. Jeden z volných elektronových pár
v p-orbitalu v naší původní struktuře... Podívejme se zpět na thiofen. Zaměříme se na tento elektronový pár. Označíme si ho růžově,
protože je v p-orbitalu. Dáme je do pí orbitalu. Druhý elektronový pár bude
v tomto sp² orbitalu na straně. Vždy, když uvidíte podobnou situaci, se musíte zamyslet nad tím,
kde elektrony ve skutečnosti jsou. Také tu máme tyhle a tyhle pí elektrony,
takže dva, čtyři, šest, celkově šest elektronů,
což je Hückelovo číslo. Všechny jsou delokalizovány na kruhu
v překrývajících se p-orbitalech. Můžeme tedy říct,
že thiofen je aromatická molekula. Splňuje pro to obě kritéria. Existují analogy thiofenu s kyslíkem,
to je samozřejmě stejná situace. Můžete nakreslit i další
rezonanční struktury, já jsem chtěl nakreslit tuhle,
abychom si ukázali, že jeden elektronový pár je
delokalizovaný, zapojený do rezonance. Ten druhý je lokalizovaný na atomu síry
v jejím sp² hybridizovaném orbitalu. Takto tedy přistupujeme k analýze
aromatických heterocyklů.