Aromatická stabilita I

V této sérii videí se zaměříme na aromaticitu. Bude zajímat stabilita aromatických látek. Dříve jsme už viděli, že se brom aduje na dvojnou vazbu jednoduchých alkenů, například cyklohexenu, a vznikne tím směs enantiomerů. Pokud se pokusíme provést stejnou reakci s benzenem, nedostaneme žádný produkt. Reakce vůbec neproběhne. Benzen je stabilnější než cyklohexen. Může vás napadnout, že stabilita je způsobena tím, že je benzen konjugovaný. Nicméně spousta jiných experimentů ukázala, že je ještě stabilnější, než bychom očekávali. Zvýšená stabilita se nazývá aromaticita nebo také aromatická stabilizace. Benzen je aromatická molekula. Pojďme se podívat na kritéria, která definují, zda je sloučenina aromatická. Sloučenina je aromatická, pokud obsahuje kruh překrývajících se "p" orbitalů. Molekula musí být planární, tím je orbitalům umožněno se překrývat. Také musí mít ve svém kruhu 4n plus 2 pí elektronů. Zde je ‚n‛ rovno 0, 1, 2 nebo jinému kladnému celému číslu. Tomuto se říká Hückelovo pravidlo. Pojďme dál a zanalyzujme benzen více. Pokud se podívám na první strukturu, vidím, že benzen má 2 pí elektrony tady, 2 tady a další 2 tady. To je dohromady 6 pí elektronů. Pokud se podívám na uhlíky v benzenu, vidím, že každý z nich má u sebe dvojnou vazbu. Tím pádem je každý uhlík v sp² hybridizaci. Pokud mají uhlíky sp² hybridizaci, znamená to, že všechny mají volný "p" orbital. Nakreslím tento nehybridizovaný volný "p" orbital na každém ze 6 uhlíků benzenu. Vzhledem k tomu, že je benzen rovinná molekula, je těmto "p" orbitalům dovoleno se navzájem překrývat. Tím pádem dostanete překryv sousedících "p" orbitalů. Benzen tedy obsahuje kruh překrývajících se "p" orbitalů. Orbitaly "p" jsou standardně považovány za atomové orbitaly. Tudíž je v benzenu celkem 6 atomových orbitalů. Podle teorie molekulových orbitalů, těchto 6 atomových orbitalů zanikne a místo nich dostaneme 6 molekulových orbitalů. Takže benzen obsahuje 6 molekulových orbitalů. Rozkreslovat molekulové orbitaly by bylo v tomto videu příliš komplikované. Podívejte se do jakékoli učebnice, kde jsou hezké nákresy těchto 6 molekulových orbitalů benzenu. Je nicméně důležité porozumět těmto 6 molekulovým orbitalům z důvodu jejich relativně nízkým hodnotám energie. Nejjednodušší způsob, jak to vysvětlit je namalovat si Frostův kruh. Mám tu již kruh namalovaný. Uvnitř tohoto kruhu teď nakreslím mnohoúhelník. A protože je benzen šestičlenný kruh, vkreslíme do Frostova kruhu šestiúhelník. Namaluji středovou čáru skrz kruh, aby mi trochu pomohla s kreslením. Když budete vkreslovat mnohoúhelník do vašeho Frostova kruhu, vždycky začínejte odspodu. Takže začneme tady dole. Tímto způsobem vkreslíme šestiúhelník. Uvidíme, jestli sem vměstnáme šestiúhelník. Teď máme šestiúhelník v našem Frostově kruhu. Tento kruh je je speciální v tom, že každé místo, kde se mnohoúhelník dotýká kruhu, představuje úroveň energie molekulového orbitalu. Tím mám na mysli tento průsečík, také tento a tak dále. Máme tady našich 6 molekulových orbitalů. Zároveň tu jsou relativní hodnoty energií těchto 6 molekulových orbitalů. Namaluji je tady. Máme 3 molekulové orbitaly, které jsou nad středovou čárou. Ty mají vyšší energii. Víme, že se jim říká antivazebné molekulové orbitaly. Toto jsou antivazebné molekulové orbitaly. Ty mají nejvyšší energii. Pokud se podíváme dolů, jsou zde 3 molekulové orbitaly, které jsou pod středovou čárou. To jsou naše vazebné molekulové orbitaly, které mají nižší energii. Pokud bychom měli nějaké molekulové orbitaly, které jsou na středové čáře, byly by to nevazebné orbitaly. Pojďme dále a vyplňme naše molekulové orbitaly s pí elektrony. Takže zpátky sem. Připomeňme si, že benzen má 6 pí elektronů. Vyplnění molekulových orbitalů je analogické k elektronové konfiguraci. Vyplníte nejprve nejnižší molekulové orbitaly. A každý orbital může obsahovat 2 elektrony, tak jako u elektronové konfigurace. Dáme 2 elektrony do nejnižšího vazebného molekulového orbitalu. Máme ještě 4 další elektrony, které je potřeba zařadit. Pokračuji a zakreslím je. A tím mám vyplněné vazebné molekulové orbitaly benzenu. Zakreslil jsem tedy všech 6 pí elektronů. Teď se zamyslíme nad Hückelovým pravidlem, 4n + 2. Mám 6 pí elektronů. Pokud je ‚n‛ rovno 1, Hückelovo pravidlo je splněno. Protože platí 4 krát 1 plus 2, což mi dává celkem 6 pí elektronů. A 6 pí elektronů splňuje Hückelovo pravidlo. Pokud se podíváme na Frostův kruh a podíváme se na molekulové orbitaly, můžeme pochopit Hückelovo pravidlo poněkud lépe i vizuálně. Pokud se podívám na tyto 2 elektrony dole, domyslíte si, že odtud pochází číslo 2 z Hückelova pravidla. Pokud se podíváme na 4 elektrony nahoře, tak to jsou 4 elektrony, které jsou před naším celým číslem 1. Takže 4 krát 1 plus 2 nám dává 6 pí elektronů. A vyplnili jsme vazebné molekulové orbitaly benzenu, což potvrzuje vyšší stabilitu, které říkáme aromaticita nebo aromatická stabilizace. A proto je benzen aromatický. Splňuje naše různá kritéria. V dalších videích se podíváme na další příklady aromatických sloučenin a iontů.