Aromatická stabilita V

Hückelovo pravidlo by mělo být používáno jen na monocyklické areny. Nicméně existují i polycyklické sloučeniny, které mají určitou formu aromatické stability. Jedna z nich je naftalen. Zde nalevo máme strukturní vzorec naftalenu, což je bílá krystalická látka, tradičně používaná v přípravku proti molům. Má velmi typický zápach. Naftalen je aromatická sloučenina, i když není tak stabilní jako benzen. Můžeme o něm uvažovat jako o 2 spojených benzenových jádrech. Teď si tuto molekulu pořádně prohlédneme, zkusíme aplikovat kritéria pro aromaticitu a prozkoumáme jednotlivé uhlíkové atomy. Vidím, že každý uhlíkový atom je vázán dvojnou vazbou. Tedy každý z nich má sp² hybridizaci. Každý uhlík tedy má nehybridizovaný orbital 'p'. V molekule naftalenu je celkem 10 uhlíkových atomů. Nyní se přesuneme na nákres, co mám vpravo. Každý uhlík má orbital 'p'. Nakreslím orbitaly 'p' ke každému atomu uhlíku. Tyto orbitaly 'p' jsou přímo vedle sebe a mohou se překrývat. Vzpomenete-li si na pravidla pro určování aromaticity, tak se zdá, že první pravidlo je splněno. Zde je vidět, jak se orbitaly 'p' překrývají. V tomto případě jsou delokalizovány elektrony hned ve 2 kruzích. Pojďme nyní prozkoumat druhé kritérium, Hückelovo pravidlo o počtu pí elektronů. Zkusíme to, ačkoli toto pravidlo je určeno pro monocyklické systémy. V naftalenu tedy napočítáme 2, 4, 6, 8... celkem 10 pí elektronů. Naftalen tedy má 10 pí elektronů. A Hückelovo pravidlo má předpis 4n + 2 Pokud 'n' je rovno 2, pak 4 krát 2 plus 2 je 10 pí elektronů. Tento počet pravidlu odpovídá. Lze tedy říct, že naftalen splňuje obě kritéria, ačkoliv technicky Hückelovo pravidlo na polycyklické sloučeniny uplatnit nelze. Ovšem těch 10 pí elektronů je plně delokalizováno v obou kruzích. Nyní se podíváme na rezonanční struktury. Když si tyto struktury nakreslíme pro naftalen... Mohu vzít tyto elektrony a přesunout je sem. Tím se tyto elektrony ocitnou zde a tyto zde. Tím dostávám novou rezonanční strukturu. Nakreslíme-li si výsledek pohybu těchto elektronů, budou pí elektrony zde. Benzenový kruh bude vlevo. Napravo pak zbývají tyto pí elektrony takto. V tomto případě jsou pí elektrony tady. Přesunul jsem je vlevo. V reálné struktuře se tyto pí elektrony vyskytují nad a pod jednoduchou vazbou. Je to z pohledu pravděpodobnosti jejich výskytu kolem vazby. Tedy je nemusím znázorňovat takto, ale lze to udělat tímto způsobem. Vzorec tedy lze tedy zakreslit i takto, což je stejný způsob jako minule. Nejde o rozdílné rezonanční struktury, jen o jiný způsob znázornění této struktury. Tyto elektrony znázorněné modrou barvou jsou vlastně stejné, jako na pravé straně. Tento pár zvýrazním modrou barvou a vidím jej zde. Tyto 2 vzorce jsou ekvivalentní, jakmile tento pár přesunu sem. Strukturní vzorce jsou nedokonalá cesta pro znázornění reálné struktury molekuly. Lze ukázat pí elektrony nalevo a napravo. Jde ale o stejnou sloučeninu. Na základě této struktury jsem schopen nakreslit další rezonanční strukturu. Nakreslím ji sem do řady. Tyto elektrony přesunu sem, tyto sem a nakonec ty zbylé sem. Výsledný strukturní vzorec ukazuje, že tyto pí elektrony jsou pořád zde. Doplním vazby v cyklu a dostávám všechny 3 rezonanční struktury, které pro naftalen existují. Opět lze znázornit delokalizaci všech 10 pí elektronů. Tato malá ukázka vlastností naftalenu dokazuje také jistou přítomnost aromatické stability. Naftalen není tak aromatický jako benzen. Všechny vazby v molekule benzenu jsou stejně dlouhé. Přesto naftalen vykazuje známky aromatické stability. Naftalen je nejjednodušší příklad pro polycyklický aromatický uhlovodík. Existují takovéto sloučeniny. Například anthracen. Stejně tak existuje mnoho dalších cyklických sloučenin, které obsahují kondenzovaná benzenová jádra. Namísto nich bych, ale rád ukázal jiný příklad. Je to izomer naftalenu a říká se mu azulen. Jde o krásně tmavě modrou sloučeninu, což je v organické chemii velmi vzácný úkaz. Také má zajímavé vlastnosti. V molekule je přítomen velký dipólový moment. Lze také pozorovat zvýšenou elektronovou hustotu v pětičlenném kruhu. Zde nalevo máme azulen a zde je jeho pětičlenný kruh. Ukazuje se, že v tomto kruhu je přítomno více elektronů, než bychom očekávali. To má za následek velký dipólový moment. Pokud si znázorníme rezonanční strukturu azulenu, zjistíme, proč tomu tak je. Vezmu-li tyto pí elektrony a přesunu je sem, pak tyto elektrony přejdou na tento uhlík. Výsledný strukturní vzorec znázorňuje tento ion. Pokud se zamyslím nad formálními náboji... Modré elekrony se přesunou přímo sem na tento uhlíkový atom. Tento vrchní uhlík tím získá volný elektronový pár a má tedy náboj −1. Takže tento atom má záporný náboj. A tady tento atom uhlíku ztratil vazbu, což mu udílí kladný náboj. Tady tedy máme tedy karbokation. Pokud se podívám blíže na tuto rezonanční strukturu, vidím 2 náboje. Podívám-li se na tu vpravo, vidím sedmičlenný kruh. Zde je 6 pí elektronů a zde mám karbokation. Toto je jeden z příkladů, které jsme viděli v minulém videu. Každý uhlíkový atom má sp² hybridizaci. Tedy jsou zde překrývající se orbitaly 'p' a dohromady máme 6 pí elektronů. Z toho plyne, že sedmičlenný cyklus je aromatický. Zde nalevo vidím pětičlenný kruh a nějaké pí elektrony přímo zde. Tyto pí elektrony, jak jsme viděli dříve u naftalenu, jsou v podstatě sdíleny oběma cykly. Takže si můžu představovat, že tyto elektrony jsou i zde v tomto cyklu. Zároveň má tento cyklus tyto elektrony, které mu dávají záporný náboj. Jak jsme viděli v minulém videu, tento ion je aromatický. Má celkem 6 pí elektronů. Zvýrazníme si je. Takže tyto, tyto a tyto jsou pí elektrony obsažené v rezonanční struktuře. Tedy 6 pí elektronů. Všechny uhlíkové atomy mají sp² hybridizaci. V minulém videu je vysvětleno daleko podrobněji, proč jsou tyto ionty aromatické. A protože mají aromatický charakter, mají také aromatickou stabilitu. Rezonanční struktura vpravo mnohem lépe vystihuje reálnou molekulu. Záporný náboj je delokalizován a rozšířen na celý pětičlenný kruh. Stejně tak kladný náboj pokrývá celý sedmičlenný kruh, což dává azulenu velký dipólový moment. Tento dipolový moment je větší, než bychom čekali právě proto, že vznikají 2 aromatické kruhy. To dává molekule azulenu vysokou stabilitu. Tento ion dole se nazývá cyklopentadienylový anion. A kation vpravo je cykloheptatrienylový kation, který jsme viděli už v minulém videu. Redistribuce elektronů dovoluje azulenu absorpci oranžového světla. Pro většinu organických molekul je toto vzhledem k velké vlnové délce složité. Proto má azulen modrou barvu a ta je, zvláště pro uhlovodíky, velmi vzácná. Výraz pro modrou je také obsažen v názvu molekuly, kdy „azure" je „modrá". To byly 2 příklady polycyklických uhlovodíků, které zároveň vykazují určitou formu aromatické stability.