Rezonanční struktury

Někdy nám elektronový strukturní vzorec nedokáže dostatečně popsat molekulu nebo ion. Někdy takové vzorce potřebujeme dva, nebo ještě i víc. Například tento strukturní vzorec acetátového aniontu není úplně přesný. Musíme k němu totiž dokreslit jeho druhou, rezonanční, strukturu. Vezmeme tedy volný elektronový pár z tohoto kyslíku a přesuneme jej sem. Tím se nově vytvoří dvojná vazba mezi tímto uhlíkem a tímto kyslíkem. Současně však musíme rozštěpit tuto dvojnou vazbu a dané pí elektrony posunout na druhý kyslík. Pojďme si takovou rezonanční strukturu nakreslit. Nejprve ji zaznačíme obousměrnou šipkou a obě struktury dáme do hranatých závorek. Teď už si zakreslíme tu druhou rezonanční strukturu. Dvojná vazba nyní bude mezi uhlíkem a tímto druhým kyslíkem. Tento uhlík měl v první struktuře tři volné elektronové páry. Nyní už kreslíme jen dva, protože z jednoho se stala tato dvojná vazba. Horní kyslík byl naopak vázán dvojnou vazbou, nyní však už má jen jednoduchou vazbu, zato ale tři volné elektronové páry. Tím se na tomto horním kyslíku vytvoří formální záporný náboj. Jen upozorňuji, že v tuto chvíli už musíte mít plně zvládnuté formální náboje. Bez této znalosti se totiž při kreslení rezonančních struktur neobejdeme. Pojďme si ukázat, jak se elektrony posouvaly. Tyto fialové elektrony se posunuly sem, vytvořily tak pí vazbu, a modré elektrony se naopak posunuly na horní kyslík, můžeme tedy říct, že je to tento volný elektronový pár. Máme tu teď nakreslené dvě rezonanční struktury acetátového aniontu. Ani jedna z nich však dostatečně nepopisuje skutečný acetátový anion. Je vždy nutné mít na paměti obě. Když se totiž podíváme třeba na tento kyslík, vidíme u něj jednoduchou vazbu. Naopak u tohoto druhého kyslíku vidíme dvojnou vazbu. Naším úkolem je tedy si představit strukturu někde mezi těmito dvěma. Tedy, že mezi uhlíkem a kyslíky je ve skutečnosti jakási částečná dvojná vazba. Skutečná struktura je tedy jakousi kombinací těchto dvou struktur. Pojďme si nakreslit tuto částečnou dvojnou vazbu. To samé platí i pro tento horní kyslík. V první struktuře je dvojná a ve druhé jednoduchá vazba. Tedy ve skutečnosti je tu jakási částečná dvojná vazba. Pojďme se pokusit to zakreslit. Nemůžeme tu zakreslit jednoduchou vazbu, proto kreslíme částečnou dvojnou. Tu obvykle značíme takovouto přerušovanou čárou. Nesmíme zapomenout na vyznačení náboje. Ve struktuře nalevo je záporný náboj u tohoto kyslíku a napravo u tohoto. Tento záporný náboj je však ve skutečnosti delokalizován. Není tedy přímo ani na jednom z kyslíků. Je delokalizován, tedy rovnoměrně rozprostřen mezi oběma kyslíky. Tohle je jeden ze způsobů, jak znázornit reálnou strukturu. Bylo experimentálně dokázáno, že toto je skutečné struktuře nejblíže. Zkoumaly se totiž délky těchto vazeb a bylo zjištěno, že obě vazby mezi uhlíkem a kyslíky mají stejnou délku. Tedy tato jakási mezi-struktura nejlépe odpovídá realitě. Pojďme se ještě zamyslet nad tím, co se děje při posouvání fialových elektronů. Maličko se zde vrátíme zpátky. Proč jsme se vlastně nezastavili při posunutí fialových elektronů? Pojďme si tu situaci zakreslit. Jak by to vypadalo, kdybychom skončili u posouvání fialových elektronů. Fialové elektrony se nám posunuly, sem a vytvořili tak dvojnou vazbu. Pokud ale neposuneme dále tyto modré elektrony, budeme mít problém s tímto uhlíkem, jelikož na něm bude hned 5 vazeb. Opravdu, je tu 1, 2, 3, 4 a pátá vazba tady. Tedy má kolem sebe celkem 10 elektronů. Známe však oktetové pravidlo, vzhledem ke své poloze v periodické tabulce prvků, nemůže mít uhlík víc elektronů než 8. Takováto struktura je tedy nesprávná. Je to zároveň jeden ze vzorů, o kterých si povíme v příštím videu. V rámci něj volný elektronový pár posune elektrony pí vazby, což je přesně to, co se nám stalo zde u acetátového aniontu, a tím nám vznikly dvě rezonanční struktury. Pokud znáte pojem rezonance z fyziky, možná vás to teď trochu mate. Možná vám to přijde, že daný anion rezonuje mezi jednotlivými strukturami. Ono se to tak trochu opravdu nabízí. Není tomu ale tak, struktury mezi sebou nijak nepřechází. Jde jen o to, že jedním strukturním vzorcem nejsme schopni situaci dostatečně popsat. Elektrony jsou prostě delokalizované a nepřechází sem a tam. Pokud si rezonanční struktury představujete v hlavě, přemýšlejte, jak může vypadat reálná molekula. Jak jednotlivé rezonanční struktury k této reálně molekule přispívají. Nezapomeňte ale na hranaté závorky, obousměrnou šipku a formální náboj. Vše je nutné zaznačit, pokud kreslíte rezonanční struktury. Pojďme se teď podívat acetátový aniont a na jeho rezonanční struktury podrobněji. Acetátový anion má tedy dva kyslíky a na jednom 3 volné elektronové páry. Jeden z nich je ale ve skutečnosti delokalizovaný, není ani na jednom z kyslíků. Můžeme proto tyto elektrony posunout, tím posuneme tyto elektrony na kyslík, tím vytvoříme rezonanční strukturu a tento záporný náboj rozprostřeme. Delokalizací náboje významně zvýšíme stabilitu iontu. Vlivem delokalizace je tedy zvýšená stabilita. Vždy, když můžeme nakreslit rezonanční struktury, je daný ion stabilnější než jiný, který rezonanční struktury nemá. Toto posouvání elektronů je v organické chemii základ a je velmi důležité jej správně pochopit a získat v něm určitý cvik. Pokud v tom chceme být dobří, musíme to trénovat. Není radno to podceňovat, zkoušejte si co nejvíce příkladů. Pojďme si vzít třeba ethoxidový anion a udělat to samé. Posuneme volný elektronový pár z kyslíku sem, ale zjistíme, že to vlastně udělat nemůžeme. Tento uhlík už je nasycen, má kolem sebe čtyři vazby, dvě na vodíky a pak tuhle na uhlík a další na uhlík. Pokud se budeme snažit tam posunout ještě tyto elektrony, nebudeme schopni posunout žádné jiné dál, bude tu 5 vazeb na uhlíku a nic dál. Tedy u ethoxidového aniontu rezonanční struktury nakreslit nemůžeme. Tyto elektrony jsou pak plně lokalizovány na kyslík. A kyslík tak má plnohodnotný formální záporný náboj. Jelikož tento náboj nejsme schopni rozprostřít, nebude tento ion stabilní. V porovnání s předchozím iontem bude tento mnohem méně stabilní a důvodem je absence rezonančních struktur. Pokud se ještě podíváme na konjugované kyseliny k těmto bázím, pro acetátový ion to bude kyselina octová. Zakresleme si ji. Konjugovanou kyselinou k ethoxidovému aniontu je ethanol. Ten si tu zakreslíme vedle. Chceme teď zjistit, která z těchto kyselin je silnější. Ze zkušenosti víme, že silnější je kyselina octová. Má silnější tendenci odštěpit proton, jelikož její konjugovaná báze je stabilnější díky rezonanci, tedy díky delokalizovaným elektronům. Ethanol na druhou stranu není tak ochotný odštěpovat proton. Jeho konjugovaná báze, ethoxidový anion, není totiž tak stabilní a je to proto, že pro něj nelze zakreslit rezonanční struktury. Záporný náboj zde nemůžeme delokalizovat. Je umístěn pouze na kyslíku. Tohle byla jedna z ukázek toho, proč je znalost rezonančních struktur důležitá. Znova opakuji, je třeba to řádně procvičit. V příštím videu si ukážeme různé případy rezonančních struktur. Jeden z nich jsme si už ukázali zde. Vzali jsme volný elektronový pár, tady jej mám vyznačen zeleně, a všimli si, že hned vedle je dvojná vazba. Díky tomu jsme byli schopni nakreslit druhou rezonanční strukturu. Ethoxidový anion byl však úplně jiný případ. Zde byl také volný elektronový pár, ale vedle něj nebyly žádné pí elektrony. Více na toto téma rozebereme v příštím videu.