Rezonanční struktury a hybridizace

Pojďme se podívat na amidovou skupinu. Začneme tím, že si určíme sterické číslo na dusíku. Sterické číslo je rovné počtu sigma vazeb... Na dusíku máme sigma vazbu zde, tady a tu, to jsou právě 3 sigma vazby. ...plus počet volných elektronových párů... Na dusíku vidím právě jeden volný elektronový pár, zvýrazním si jej. Tedy sečteme 3 a 1, vyjde nám, že sterické číslo u dusíku je 4. To znamená, že jeho hybridizace bude sp3. Z předchozích videí již víme, co znamená sp3 hybridizace. Jedná se o uspořádání trojboké pyramidy, tak budou uspořádány atomy kolem dusíku. Na amidovou skupinu se tedy můžeme dívat takto. V tomto případě je volný elektronový pár lokalizovaný na dusíku. My však již známe rezonanční struktury a víme, že volný elektronový pár může být v rámci rezonance delokalizován. Můžeme vzít tento volný elektronový pár a posunout jej za vytvoření dvojné vazby. Tím se tyto pí elektrony posunou dále na kyslík. Tuto druhou rezonanční strukturu si zakreslíme. Horní kyslík má nyní tři volné elektronové páry a záporný formální náboj. Kromě toho tu máme novou dvojnou vazbu mezi uhlíkem a dusíkem. Všechno si to tu zakreslím. Na dusík ještě zapíšeme formální náboj +1 a celé to umístíme do hranatých závorek. Pojďme se ještě jednou zaměřit na tok elektronů. Fialově označený volný elektronový pár se posunul sem, a vytvořil tak pí vazbu. Modré pí elektrony se zase posunuly na kyslík a daly mu tím formální náboj −1. Pojďme si teď vypočítat sterické číslo na dusíku v této druhé struktuře. Sterické číslo je rovno počtu sigma vazeb... Zde je jedna sigma vazba, druhá a ve dvojné vazbě je také jedna, druhá vazba ve dvojné vazbě je typu pí. Máme tu tedy celkem tři sigma vazby. Plus počet volných elektronových párů na dusíku, což je 0. Tedy sečteme 3 plus 0 a vyjde nám sterické číslo rovné 3. To znamená, že dusík má k dispozici 3 hybridní orbitaly, tedy sp2 hybridizace. Tato hybridizace má uspořádání rovnostranného trojúhelníku, tedy atomy připojené na dusík jsou v jedné rovině. Na této struktuře jsme si také ukázali, že elektrony jsou delokalizované. Konkrétně volný elektronový pár je delokalizovaný. Experimenty ukázaly, že amidová skupina má rovinné uspořádání, tedy atomy kolem něj jsou v rovině. Fialové elektrony jsou tedy opravdu delokalizované a nejsou jen u dusíku. To potom znamená, že dusík zde má opravdu sp2 hybridizaci, tedy má volný p-orbital, jež umožňuje delokalizaci fialovým elektronů. Hezký příklad toho, kdy nám rezonanční struktura pomohla odkrýt realitu. Volný elektronový pár se podílí na rezonanci, na dusíku je sp2 hybridizace a tím pádem disponuje volným p-orbitalem. Pojďme se teď podívat na další příklad, jež mám tady dole. Nejdříve se zaměřme na levou polovinu molekuly. Máme zde znovu amidovou funkční skupinu. Při pohledu na volný elektronový pár na dusíku už víme, že nebude lokalizovaný, jelikož se podílí na rezonanci. Tento fakt ovlivňuje uspořádání vazeb a obecný náhled na hybridizaci dusíku. Fialové elektrony jsou delokalizované, jelikož se účastní rezonance. Možná by nebylo od věci to vyznačit jinou barvou, použiji na to modrou. Tedy tyto modré elektrony na aminu nemají kam jít, nemůžou přispět k rezonanci. Tento volný elektronový pár musí být lokalizovaný na dusíku. Zde vidíme, jak se liší amidová a aminová funkční skupina. Konkrétně jejich reaktivita a struktura. Můžeme se podívat na další molekulu, kterou mám zde vpravo. Předpokládáme již, že volný elektronový pár je lokalizovaný na dusíku. Pojďme si vypočítat jeho sterické číslo. Sterické číslo je tedy rovno počtu sigma vazeb... Máme tu jednu, druhou a třetí, tedy 3 sigma vazby. K tomu přidáme počet volných elektronových párů na dusíku, ten má právě jeden. Tedy 3 plus 1 je 4, to znamená, že dusík má k dispozici 4 hybridní orbitaly sp3. Víme však, že ten volný elektronový pár na dusíku není lokalizován. Volný elektronový pár je kvůli rezonanci delokalizován, již jsme si to ukazovali. Tedy víme, co se stane s modrým volným elektronovým párem hned vedle pí vazby, tu si zde vyznačím fialově a můžeme nakreslit celou rezonanční strukturu. Můžu tedy vzít tyto modré elektrony a posunout je sem. Na tomto uhlíku tak bude moc vazeb, proto tyto fialové elektrony musím posunout dál, Rezonanční struktura tedy obsahuje cyklus, dusík s navázaným vodíkem, modré elektrony, které vytvořily pí vazbu, a na tento uhlík posunuté fialové elektrony. Tento uhlík tím pádem musí navíc mít záporný formální náboj −1. Pojďme si zase vypočítat sterické číslo na dusíku. Tentokrát má dusík kladný formální náboj +1. Sterické číslo je tedy rovné počtu sigma vazeb... máme tu jednu, druhou, a jednu v dvojné vazbě, přičemž druhá je typu pí. Tedy řekněme tato je typu pí. Hledané sterické číslo je rovno 3 plus počet volných elektronových párů, nula. Sterické číslo je tedy rovno 3, máme tedy k dispozici 3 hybridní orbitaly typu sp2. A jelikož již víme, že volný elektronový pár je delokalizovaný, dokážeme také říct, že obsadí nehybridní p-orbital, proto také dává smysl hybridizace sp2 s nehybridizovaným p-orbitalem. Modrý volný elektronový pár je tedy delokalizovaný a umístěný v p-orbitalu. Pojďme si to tu nakreslit. Řekněme, že toto je náš dusík, na který se díváme pod určitým úhlem. Dusík má hybridizaci sp2, proto má jeden nehybridizovaný p-orbital. Zakreslím ho tam. Tyto modré elektrony jsou delokalizované, proto budou v tomto p-orbitalu. Z toho důvodu se můžou účastnit rezonance. Pojďme dál, zakreslím si tu ještě vodík. V naší rezonanční struktuře chybí ještě tyto elektrony. Mohl bych vzít fialové elektrony a posunout je sem, čímž bych vytlačil tyto elektrony. Vidíme, že je tu těch rezonančních struktur vícero. Mohl bych je všechny zakreslit, ale dělat to z časových důvodů nebudu. Chceme si tu hlavně ukázat, jak rezonance ovlivňuje hybridizaci. Také je naším cílem propojit si hybridizaci s elektronovými vzorci, které ne vždy perfektně popisují realitu. Pojďme si ale dokreslit naší molekulu. Víme, že má 4 uhlíky a každý z nich má na sobě dvojnou vazbu. Tyto 4 uhlíky musí mít hybridizaci sp2. Jelikož mají hybridizaci sp2, každý má navíc jeden nehybridizovaný p-orbital. Ke každému uhlíku jej zakreslím. Můžeme se teď zaměřit na tyto elektrony. Vyznačím si je pro přehlednost červeně. Zajímají mě tyto pí elektrony, jelikož se účastní rezonance. Jedná se dohromady o 6 elektronů, jsou to tyto 4 červené elektrony a tyto 2 modré. Všechny jsou lokalizované v nehybridizovaných p-orbitalech. Tohle je nesmírně důležité si uvědomit, kdykoli budete pracovat s areny. Teď se ale pojďme primárně zaměřit na rozdíl mezi nelokalizovanými a lokalizovanými elektrony. V tomto případě jsou elektrony na dusíku delokalizované, účastní se rezonance. Pojďme si to ukázat ještě na jednom příkladu. Začneme standardně výpočtem sterického čísla dusíku. Sterické číslo se vypočítá jako počet sigma vazeb... Máme tu jednu, pak další v rámci dvojné vazby. Dohromady tedy dvě sigma vazby plus jeden volný elektronový pár. Na dusíku vidíme jeden volný elektronový pár. Sečtu 3 a 1 a získám sterické číslo rovné 3. Z toho rovnou odvozuji, že má 3 hybridní sp2 orbitaly. Pokud je dusík sp2 hybridizovaný, má navíc jeden nehybridizovaný p-orbital. Tento p-orbital si k dusíku do molekuly zase zakreslím. Teď se ještě podíváme na okolní uhlíky. Máme tady jeden, druhý, třetí, čtvrtý, pět uhlíků. Každý má na sobě jednu dvojnou vazbu a každý je tak sp2 hybridizovaný s volným p-orbitalem. Každý uhlík má 3 sp2 hybridní orbitaly a jeden p-orbital, který není hybridizovaný. Je to tedy ten samý případ jako u dusíku, jelikož i ten má hybridizaci sp2, tedy má 3 sp2 orbitaly a nehybridní p-orbital. Již tu mám zakreslený p-orbital, ještě fialově dokreslím sp2 orbitaly. Jeden z sp2 orbitalů se podílí na této sigma vazbě, další na této a třetí zde. Sem vlastně patří ten volný elektronový pár. Tedy modrý volný elektronový pár je umístěn v tomto sp2 hybridním orbitalu. Zakreslím si tu šipku. Volný elektronový pár se pohybuje v rámci tohoto sp2 hybridního orbitalu. Z toho důvodu se volný elektronový pár nemůže účastnit rezonance. Dusík totiž již má na sobě pí vazbu. Tyto zelené pí elektrony využívají tento nehybridizovaný p-orbital. A jelikož tento p-orbital už využívají tyto pí elektrony, modré elektrony se tam již nevejdou, proto musí být lokalizovány na dusíku. To jsme možná na začátku nepředpokládali tím, že na začátku jsme si ukazovali, jak je to s volným elektronovým párem vedle pí vazby. Zde modrý elektronový pár je sice vedle pí vazby, mohlo by se tedy zdát, že je možné vytvořit rezonanční strukturu. Důvodem je, že nehybridizovaný p-orbital již je obsazen zelenými pí elektrony a tyto zelené pí orbitaly již se rezonance účastní samy o sobě. Tohle je spíše výjimka k tomu, co jsme probírali dříve. Říkali jsme si, že volné elektronové páry vedle dvojné vazby bývají delokalizované, Tak aspoň máme nad čím ještě přemýšlet.