Ароматни хетероциклични съединения II

В последното видео използвахме критериите за ароматност, за да покажем, че и хетероцикличните съединения могат да бъдат ароматни. В това видео ще разгледаме още ароматни хетероцикли, по-специално петатомни пръстени. Ще започнем с пирола, който е ето тук долу. Молекулата на пирола, както можеш да видиш, съдържа петатомен пръстен. Ако разгледаме въглеродните атоми в пръстена, ще видим, че тези всички въглеродни атоми имат двойни връзки. Следователно всички въглеродни атоми са sp2-хибридизирани. Това означава, че всички те имат свободна р-орбитала. Така че ще поставя свободна р-орбитала при всеки от тези четири въглеродни атома. По отношение на азота в пръстена, аз искам да знам неговото състояние на хибридизация. Най-добрият начин за това е да изчисля стеричното му число. Знаем, че стеричното число е равно на броя на сигма-връзките плюс броя на несподелените електронни двойки. Виждам, че тук има сигма-връзка, тук има сигма-връзка и тук има сигма-връзка. Значи три сигма-връзки плюс несподелените електронни двойки. Тук има една несподелена електронна двойка при този азот, така че стеричното число е равно на четири. Това означава sp3-хибридизация за азота в пирола. Но ние знаем, че това не е така, защото пиролът има ароматен характер, а sp3-хибридизиран азот би означавал, че при азота няма р-орбитала, което не удовлетворява първия критерий за ароматност на съединението. Значи има някакъв начин този азот да е sp2-хибридизиран, и ние видяхме как става това в края на предишното видео. Несподелената електронна двойка при този азот всъщност не е локализирана при него. Можем да вземем тази несподелена електронна двойка и да я преместим тук, така че несподелената електронна двойка да участва в резонанса. Ако тези несподелени електрони се преместят тук, за да образуват пи-връзка, това ще изтласка тези електрони при този въглерод, така че резонансната структура ще има азот с пи-връзка ето тук и несподелена електронна двойка при този въглерод, което ще даде на този въглерод отрицателен формален заряд –1. Тук все още имаме пи-връзка и този азот ще има формален заряд +1. Когато анализираме хибридизационното състояние на този азот, можем да видим отново, че имаме сигма връзки. Значи има една сигма връзка, две, три сигма връзки. Има три сигма връзки, но сега няма несподелена електронна двойка, защото несподелената електронна двойка сега е делокализирана при резонанса, и така имаме 3 + 0, което е 3. Това означава, че сега азотът е sp2-хибридизиран. Понеже азотът е sp2-хибридизиран, той има свободна р-орбитала, затова мога да запиша р-орбитала при този азот. Ако си го представиш като структурна формула, тези два електрона са тук, тези два електрона са на практика делокализирани и участват в резонанса. Така тази несподелена електронна двойка можеш да разглеждаш като намираща се на р-орбитала тук, но тя всъщност е делокализирана. Всички тези р-електрони са делокализирани в пръстена. Хайде да проверим критериите за ароматност. Пиролът съдържа пръстен от непрекъснато застъпващи се р-орбитали и има 4n + 2 р-електрона в пръстена. Ще ги оцветя. Имаме тези р-електрони, това са два, тези р-електрони, стават четири, и накрая тези р-електрони в цикламено, които са делокализирани в пръстена. Стават общо шест електрона. Ако n е равно на едно, 4 по 1 плюс 2 дава 6 р-електрона. Пиролът има шест р-електрона, както и пръстен с непрекъснато застъпващи се р-орбитали, значи той е ароматен. Сега да видим тук една молекула, която е много подобна на тази. Това е имидазол. При имидазола имаме същото положение като при пирола. Тук имаме азот, който на пръв поглед изглежда sp3-хибридизиран. Но можем да направим резонансна структура. Можем да вземем тези електрони от тук и да ги преместим тук, което ще изтласка тези електрони при горния азот. Сега ще направя резонансната структура за това. Тук ще имаме р-електрони. Тук имаме двойна връзка. Сега ще имаме формален заряд +1 при този азот и формален заряд –1 при този азот горе. Отново, виждали сме, че този азот в синьо всъщност е sp2-хибридизиран. Ще го оцветя в синьо тук отдясно. Азотът всъщност е sp2-хибридизиран, така че имаме същото положение като при пирола, където изглежда на пръв поглед, че тези електрони са локализирани при този азот. Но те всъщност не са. Тези електрони са делокализирани в пръстена, поради възможната резонансна структура. Така определихме, че този азот в синьо, който е свързан с този водород, е sp2-хибридизиран. Сега ще разгледам този азот в синьо, който е свързан с този водород. Той е sp2-хибридизиран. Следователно има р-орбитала, така че ще поставя р-орбиталата при този азот. Ако разгледам въглеродите, ако разгледам въглеродите в тази молекула, ще оцветя тези въглероди в червено, значи тези три въглерода в първоначалната структурна формула... можем да видим, че има двойна връзка при тях, значи са sp2-хибридизирани. Затова ще поставя р-орбитали при тези въглероди. Отново, като се върнем към началната формула, но този път разглеждаме азота... Ще го направя в цикламено, ето този азот тук. Като разглеждам тази първа структурна формула, тя е същата като примера с пиридина от предходното видео. Това е в действителност sp2-хибридизация. Тъй като е sp2-хибридизация, можем да разглеждаме тези електрони тук в цикламено като участници в резонанса, а електроните в синьо като локализирани при този азотен атом, локализирани при sp2-хибридизирана орбитала. Сега ще разгледам азота в цикламено, ето този азот в цикламено. Този азот в цикламено е sp2-хибридизиран. Това е същото като при пиридина, затова мога да поставя р-орбитала при него. Тази несподелена електронна двойка в синьо, която е при този азот, тази несподелена електронна двойка... Ще ги направя в синьо. Тази несподелена електронна двойка ще заема sp2-хибридизирана орбитала при този азот, така че тези електрони сега участват в резонанса. Тези електрони са локализирани при този азот. Когато разглеждам критериите за ароматност, първият критерий е застъпващи се р-орбитали. Виждам, че това е изпълнено. Имаме застъпващи се р-орбитали. Всичко е sp2-хибридизирано в пръстена. И ни трябват 4n + 2 р-електрони, така че ще оцветя тези в цикламено. Моите електрони, ако се върна към оригиналната структурна формула... това са два, с тези са четири, и тази несподелена електронна двойка при азота, това всъщност са р-електрони, така че, когато разглеждаме резонансната структура, ще ги оцветя отново в цикламено. Тук има действително шест р-електрона в молекулата на имидазола, като тези р-електрони са делокализирани в пръстена в тези застъпващи се р-орбитали. Следователно и молекулата на имидазола е ароматна. Имидазолът е изключително важен в биохимията. Ще разгледаме това известно съединение, което съдържа имидазолов пръстен. Тази молекула се нарича хистамин. Всеки, който има алергии, е чувал за хистамина. Можеш да видиш имидазоловия пръстен отляво в молекулата на хистамина. Ако искаш да разбереш биохимията, е много важно да познаваш концепциите от органичната химия. Хистаминът е пример за биологично активен ароматно хетероциклично съединение. Тази част от молекулата – имидазоловият пръстен е ароматен. Тя отговаря и на двата критерия, както видяхме вече. Да разгледаме още един пример за ароматно хетероциклично съединение. Този път ще разгледаме пример, в който има сяра. Тази молекула се нарича тиофен. Това е серният аналог на пироловата молекула, която разгледахме. Да анализираме първо сярата по отношение на стеричното ѝ число. Разглеждаме тази серна молекула ето тук. Ще изчисля стеричното ѝ число. Значи броят на сигма връзките към този атом... Тук има сигма връзка и тук има сигма връзка, така че имаме стерично число, което е равно на броя на сигма връзките плюс несподелените електронни двойки. Имаме две несподелени електронни двойки при сярата. Значи тук ще бъде 2 + 2, което е 4. Това предполага, че сярата е sp3-хибридизирана, но това не удовлетворява критериите за ароматност, защото, за да бъде ароматна молекулата, атомът трябва да е sp2-хибридизиран и да има свободна р-орбитала, точно като тези въглероди тук. Тези въглероди имат двойни връзки към тях, така че всички те имат р-орбитали. Ще скицирам тези р-орбитали при тези въглеродни атоми. Сярата изглежда sp3-хибридизирана, но този пример е подобен на примера с пирола. Мога да покажа резонасната структура на молекулата на тиофена. Мога да взема една от тези двойки електрони... Това тук отдясно е несподелена електронна двойка... И мога да покажа как се преместват, за да образуват пи-връзка между сярата и този въглерод, който ще изтласка тези електрони към този въглерод. Когато направя тази резонансна структура, тук има пи-връзка между сярата и този въглерод, а несподелената двойка електрони се премества при този въглерод, при което въглеродът придобива формален заряд –1. Тук все още има несподелена електронна двойка, все още има пи-връзка, а тук все още има несподелена електронна двойка при сярата. Сега можем да дадем на сярата формален заряд +1 и можем да определим стеричното число. Отново, то е броят на сигма-връзките... Това е сигма-връзка, това е сигма-връзка и стеричното число ще бъде равно на 2 плюс броя на несподелените електронни двойки, който сега е едно. Значи имаме 2 + 1, което е 3. Виждаме, че има sp2-хибридизация, значи имаме 3 sp2-хибридни орбитали. Една от тези sp2-хибридизирани орбитали ще съдържа несподелената електронна двойка, която е тук в синьо, значи тази несподелена двойка електрони. Отново, имаме sp2-хибридизация, което означава, че има още две sp2-хибридни орбитали. Тези хибридни орбитали образуват връзки с тези въглеродни атоми тук. Понеже има sp2-хибридизация, има също и нехибридизирани р-орбитали, така че ще ги скицирам тук, тези нехибридизирани р-орбитали. Мога да приема, че една от несподелените електронни двойки в оригиналната структурна формула заема р-орбитала, затова се връщам тук и разглеждам тиофена в първоначалната структурна формула. Ще разгледам една от тези несподелени електронни двойки. Ще я оцветя в цикламено, тя заема р-орбитала, така че ще я поставя тук ето така. После разглеждам другата несподелена електронна двойка в тази структура, която заема sp2-хибридизирана орбитала тук отстрани. Винаги, когато имаш тази ситуация, мисли къде всъщност са тези несподелени електронни двойки. Тези тук са р-електрони и тези тук са също р-електрони. Значи две, четири, шест. Имаме общо шест р-електрона, което е число на Хюкел, които са разпределени в пръстена в застъпващи се р-орбитали. Следователно молекулата на тиофена е ароматна. Тя удовлетворява и двата критерия. Има аналози на тиофена, които съдържат кислород, като там положението и същото. Можеш да направиш друга резонансна структура, но аз исках да дам само тази, за да покажа, че едната несподелена електронна двойка е делокализирана и участва в резонанса, а едната несподелена електронна двойка е локализирана при този серен атом в sp2-хибридизирана орбитала. Това е начинът за анализ на ароматни хетероцикли.