Aromatická stabilita IV

Zde máme molekulu cyklopentadienu. Pojďme zjistit, zda vyhovuje pravidlu aromaticity. Začněme první podmínkou. Tou je přítomnost kruhu obsahujícího spojitě se překrývající p orbitaly. Pokud prozkoumáme tyto uhlíky, tento uhlík je vázán dvojnou vazbou, je sp2 hybridizovaný. A proto má volný p orbital. Tak jako tento uhlík. A tak jako tyto dva další. Tyto 4 uhlíky jsou sp2 hybridizovány. Pokud se podíváme na tento uhlík, je sp3 hybridizovaný. Lépe to jde vidět, když zde nahoru zakreslím nějaké vodíky. A protože tento uhlík má čtyři jednoduché vazby, je sp3 hybridizovaný, což znamená, že tento uhlík nemá p orbital. A proto cyklopentadien není aromatický. Porušuje první podmínku. Neobsahuje kruh se spojitě překrývajícími se p orbitaly. Protože je porušeno první pravidlo, můžem říci, že cyklopentadien je nearomatický. Takže si ani nemusíme dělat starosti s druhou podmínkou. Nesplňuje ani první podmínku, aby mohl být aromatický. Cyklopentadien má, mimo jiné, jednu zajímavou vlastnost. Je extrémně kyselý na to, že je to uhlovodík. Jeho pKa je přibližně 16 pro jeden z těchto dvou protonů, které jsem nakreslil žlutou. Musí existovat nějaký druh stability spojený s konjugovanou bází, aby byl cyklopentadien takto kyselý. Pokud se objeví báze, tak možná volný elektronový pár, záporný náboj, jen nějaká obecná báze. Vezme si tento proton a zanechá tyto dva elektrony na tomto horním uhlíku. Pokud nakreslíme strukturu konjugované báze, máme zde naše pí elektrony. A nyní máme volný elektronový pár na našem horním uhlíku, což jej činí záporně nabitým. Tohle je konjugovaná báze. A zde musí být nějaký druh stabilizace spojen s touto konjugovanou bází, vzhledem k tomu, že je cyklopentadien takto kyselý. Pamatujme, čím je konjugovaná báze stabilnější, tím je sloučenina kyselejší. A v tomto případě, je extrémní stabilita spojena s faktem, že tento ion je aromatický. Nemusí to tak vypadat, protože pokud se podíváme na tento vrchní uhlík, tento uhlík stále vypadá jako sp3 hybridizovaný, protože je to karbanion. Tento volný elektronový pár se ale může účastnit rezanance. Pokud vezmeme tento volný elektronový pár a přesuneme jej zde, to přesune tyto elektrony tady na tento uhlík. Když nakreslíme jednu z možných rezonančních struktur. Nakreslím ji a ukážu, že se tyto elektrony nyní přesunuly zde. Tyto elektrony jsou teď tady. Teď má formální náboj roven -1. A přímo tady máme pí elektrony. Teď, pokud prozkoumáme tento vrchní uhlík, vidíme, že je ve skutečnosti sp2 hybridizovaný. Takže v této rezonanční struktuře to vypadá, že je sp2 hybridizovaný. A tento volný elektronový pár nakreslený fialovou barvou nyní okupuje p orbital, protože se účastní rezonance. Ve skutečnosti jde nakreslit více rezonančních struktur. V tomto videu to ale dělat nebudeme. Zde se snažím jen poukázat, že elektrony nakreslené fialovou se účastní rezonance. A proto je tento volný elektronový pár ve skutečnosti delokalizován a okupuje p orbital v kruhu. A nyní máme kruh spojitě se překrývajících p orbitalů. Takže zde nalevo jsme již řekli, že tyto uhlíky jsou sp2 hybridizovány. Pokud se zamyslíme nad těmito rezonančními strukturami, můžeme mít všechny uhlíky v tomto kruhu sp2 hybridizované. To splňuje první podmínku. Máte kruh spojitě se překrývajích p orbitalů. Pojďme prozkoumat trochu více tento anion použitím Frostova kruhu. Když nakreslím náš aniont se záporným formálním nábojem. Když budu v této molekule hledat pí elektrony použiji tuto barvu. Zde jsou 2 pí elektrony, potom 4 pí elektrony. Poté vidíme, že tento volný elektronový pár se účastní rezonance. Takže tento volný elektronový pár okupuje p orbital. A toto jsou vlastně nyní pí elektrony. Máme celkově 6 pí elektronů. Tento anion má 6 pí elektronů. A nyní vidíme, že všechny uhlíky jsou sp2 hybridizovány, když nakreslíte všechny rezonanční struktury. A každý tento uhlík má p orbital. Můžu zakreslit p orbital do tohoto diagramu. Máme 5 uhlíku v kruhu. Každý uhlík má p orbital. Takže v kruhu je 5 p orbitalů. A můžete vidět, že tyto p orbitaly se mohou překrývat a delokalizovat tyto elektrony. Překryv těchto p orbitalů splňuje naši první podmínku. Obsahuje kruh se spojitě se překrývajícími p orbitaly. Máme celkově pět p orbitalů. A víme, že tyto p obitaly jsou atomové orbitaly. Takže 5 atomových orbitalů mi podle teorie MO dá pět molekulových orbitalů. Tyto MO mohu zobrazit, z hlediska jejich energie, do mých Frostových kruhů. Nakreslím tady tuto čáru. Když děláte Frostovy kruhy pamatujte, že musíte vždy začít tady dole. Pětičlenný kruh znamená, že se pokusím vepsat pětiúhelník do mého kruhu. Pokusím se zde nakreslit pětiúhelník. Podívejme se, jestli to zvládneme. Takže nakreslíme takto čáry. A potom můžete vidět, že tady je můj pětiúhelník vepsán do kruhu. Ještě jednou, důležité místo je tam, kde se můj polygon protne s kruhem. To zobrazuje energetickou úroveň mých MO. A tak můžete vidět, že dostanu 3 vazebné molekulové orbitaly (MO). Ty pod centrální čárou. A 2 antivazebné molekulové orbitaly. Musím zaplnit mé molekulové orbitaly s 6 pí elektrony. Takže umístím mých 6 pí elektronů takto. Můžete vidět, že jsem naplnil mé vazebné molekulové orbitaly jakobych měl plnou vnější slupku. A mám Hückelovo pravidlo. Mám 4n plus 2 pí elektrony. Ještě jednou, použitím energetického diagramu zde by byly 2 elektrony. A potom 4 krát 1. Takže n je zde rovno 1. Což mi dává celkově 6 pí elektronů. A tento ion splňuje obě podmínky. Obsahuje kruh spojitě se překrývajících p orbitalů. Má také 4 n plus 2 pí elektrony v kruhu. A tak konjugovaná báze tady nahoře je stabilní, protože je to aromatický anion, který je důvodem nízké hodnoty pKa cyklopentadienu. I když je cyklopentadien sám o sobě nearomatický, tento ion bude aromatický, což vysvětluje stabilitu. Pojďme prozkoumat ještě jeden ion. Tady máme cykloheptatrienový kationt. A když hledám své pí elektrony, mám v tomto iontu 2, 4 a 6 pí elektronů. Celkově 6 pí elektronů. Když hledám sp2 hybridizované uhlíky, všechny, které mají dvojnou vazbu, jsou všechny sp2 hybridizované. A potom je můj karbokation na tomto uhlíku také sp2 hybridizovaný. Všech 7 uhlíků je sp2 hybridizovaných, což znamená, že každý uhlík má p orbital. To je trochu těžké nakreslit. Ale můžete vidět, že každý z mých 7 uhlíků má p orbital, který relativně usnadňuje překryv orbitalů v kruhu a delokalizaci pí elektronů. Takže jsem splnil první podmínku, zde je kruh spojitě se překrývajících p orbitalů. Celkově 7 p orbitalů. 7 atomových orbitalů. A ještě jednou, těchto 7 atomových orbitalů mi dá 7 molekulových orbitalů, které mohu zobrazit pomocí Frostova kruhu. Vrátím se k Frostovu kruhu a nakreslím dělící čáru mezi vazebnými a antivazebnými MO. A teď, protože mám sedmičlenný kruh, musím se pokusit načrtnout sedmiúhelník dovnitř Frostova kruhu. To je pravděpodobně jedna z nejkomplikovanějších věcí ke kreslení. Podívejme se, jestli můžeme udělat něco, co připomíná sedmistranný útvar uvnitř mého kruhu. Něco takového mi dá sedmistranný útvar. A ještě jednou se zajímáme o průsečíky, protože ty reprezentují energetické hladiny mých MO. A nyní je snadné uvidět, že máme 3 vazebné molekulové orbitaly. A 4 antivazebné molekulové orbitaly. Doplníme 6 pí elektronů do našeho diagramu. Ještě jednou, elektrony nejprve zaplní nejnižší orbitaly. Takto se můžeme postarat o našich 6 pí elektronů. A můžete vidět, že jsme zaplnili všechny naše vazebné MO. Toto je ta extrémní stabilita, která dělá tento ion aromatickým. Takže n se rovná 1. 4 krát 1 je 4, plus 2 mi dá celkově 6 pí elektronů. A obě podmínky byly splněny. Máme kruh spojitě se překrývajících p orbitalů, který je zde. Takže nalevo je naše první podmínka. Toto je náš kruh. A také máme 4n plus 2 pí elektrony. A proto je cykloheptatrienový kation aromatický. Takže toto je aromatický kation. S tímto se může pojit extrémní stabilita.