Stabilizace konjugované báze: hybridizace

Hybridizace může velmi ovlivňovat stabilitu konjugované báze. Pojďme si to znázornit na molekule ethanu, kterou mám zde. Hybridizaci takového uhlíku známe, jedná se o hybridizaci sp3. Řekněme, že ethan odštěpí tento proton. Elektrony z této vazby, které jsem vyznačil fialově, si přitáhne uhlík a vytvoří se tak konjugovaná báze. Zde máme fialové elektrony a uhlík v sp3 hybridizaci, fialové elektrony tedy musí být v sp3 hybridizovaném orbitalu. Z videí o hybridizaci již víme, že sp3 hybridizace má 25% charakter ,s' orbitalu a zbylých 75 % je ,p' orbital. Zapíšu si sem ten 25% charakter. Pojďme to samé udělat pro ethen neboli ethylen. Uhlík má v tomto případě hybridizaci sp2 Pokud je tento proton odtržen, fialové elektrony zůstanou v molekule. Tedy zde máme tyto fialové elektrony, tady je konjugovaná báze ethenu a tento uhlík je v hybridizaci sp2. Proto fialový volný elektronový pár musí být v sp2 hybridizovaném orbitalu. Každý sp2 hybridizovaný orbital má zhruba ze 33 % charakter ,s' orbitalu. Zase si těch 33 % zde poznačím. Ještě tu máme acetylen, jehož uhlíky mají hybridizaci sp. Pokud acetylen odštěpí proton, elektrony znovu zůstanou v molekule. Proto fialové elektrony vidíme zde, tento uhlík je sp hybridizovaný a fialový volný elektronový pár bude v sp hybridizovaném orbitalu. Orbitaly sp mají z 50 % charakter ,s' orbitalů. Tedy sem píšu 50 %. Nyní se podívejme na jejich hodnoty pKa. U ethanu má proton hodnotu pKa zhruba 50. U ethenu je tato hodnota asi 44 a u acetylenu se rovná zhruba 25. Již víme, že čím nižší je tato hodnota, tím silnější je kyselina. Vidíme zde, že směrem zleva doprava hodnota pKa klesá. Proto můžeme říct, že v tomto směru kyselost stoupá. Acetylen je tedy z těchto molekul nejsilnější kyselinou. Pokud je acetylen nejsilnější kyselinou, musí mít nejstabilnější konjugovanou bázi. Tedy z těchto konjugovaných bází bude ta acetylenová nejstabilnější. Zleva doprava tedy roste stabilita konjugovaných bází. Jak ale tento trend vysvětlíme pomocí teorie hybridizace? Pojďme si projít hybridní orbitaly, které tu máme. V první konjugované bázi je volný elektronový pár umístěn v sp3 orbitalu. Ten má z 25 % charakter ,s' orbitalu. Postupně se pro konjugované báze tento charakter zvyšuje přes 33 % na 50 %. V tomto směru se tedy zvyšuje stabilita i podíl charakteru ,s' orbitalu. Se zvyšováním ,s' charakteru zvyšuje i stabilita konjugované báze. Pojďme se zamyslet, proč to tak je na základě vlastností s a p orbitalů. Orbitaly s mají na rozdíl od orbitalů p nejvyšší elektronovou hustotu u jádra. Když zvyšujeme s charakter, zvyšujeme tím elektronovou hustotu u jádra. Ještě vysvětlím, co tím přesně míním. Podívejme se na tento volný elektronovový pár u konjugované báze ethanu. Konkrétně se pojďme zaměřit na vzdálenost těchto elektronů od jádra. Hybridizovaný orbital sp3 má nejmenší podíl ,s' orbitalu, tudíž jsou tyto elektrony v průměru nejdále od jádra. Z toho plynou vlastnosti jako je menší stabilita a vyšší energie. Ve směru doprava k dalším konjugovaným bázím se tato vzdálenost zmenšuje. Vzdálenost od jádra je v průměru kratší. V případě sp hybridizovaného orbitalu je vzdálenost mezi volným elektronovým párem a kladně nabitým jádrem nejmenší. Snížením této vzdálenosti zvýšíme i velikost přitažlivé síly. Tato konjugovaná báze je tedy nejstabilnější proto, že jsou elektrony volného elektronového páru více přitahovány k jádru. Jádro si tedy je schopné lépe tyto elektrony udržet. To jde ruku v ruce se zvýšením celkové stability a snížením energie. Tedy toto je z nabízených nejstabilnější konjugovaná báze. S tím souvisí i kyselost acetylenu, který je z těchto tří sloučenin nejkyselejší. Celé to má vliv i na elektronegativitu. Pokud sp hybridizovaný uhlík dokáže lépe přitahovat elektrony... Vzpomeňte si na definici elektronegativity. Je to vlastně míra schopnosti atomu přitahovat k sobě elektrony. Zjistili jsme, že elektrony jsou blíže k jádru sp hybridizovaného atomu uhlíku. Z toho plyne, že sp hybridizovaný uhlík musí být elektronegativnější. Tedy sp hybridizovaný uhlík je elektronegativnější než sp2 hybridizovaný a ten je elektronegativnější než sp3 hybridizovaný uhlík. Tedy je tam zřejmý trend s měnícím se podílem ,s' charakteru. Možná je to teď trochu matoucí, jelikož doteď měl uhlík jen jednu hodnotu elektronegativity. Nikdy jsme ani nepřemýšleli, že by mohla být jiná, ale vidíme, že to tak může být. Uhlík v sp hybridizaci má elektronegativitu nejvyšší.