Hlavní obsah
Organická chemie
Kurz: Organická chemie > Kapitola 9
Lekce 2: Aromatická stabilitaAromatická stabilita V
Aromaticita polycyklických sloučenin jako je naftalen. Tvůrce: Jay.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
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.