Стабилност на ароматните съединения I

В поредица от видео уроци ще разгледаме стабилизирането на ароматните съединения. Вече сме виждали, че бромът се присъединява при двойната връзка в прост алкен като циклохексена, при което се получава смес от енантиомери. Ако проведем същата реакция с бензен, няма да получим нищо. Не протича реакция. Бензенът е по-стабилен от циклохексана. Първо можеш да си помислиш, че стабилността се дължи на спрежението при бензена. При множество други експерименти е показано, че той е даже по-стабилен, от колкото се очаква. Тази допълнителна стабилност се нарича ароматност или ароматна стабилизация. Бензенът е ароматна молекула. Да видим какви са критериите, за да определим едно съединение като ароматно. Едно съединение е ароматно, ако съдържа пръстен с непрекъснато застъпващи се р-орбитали. Ако молекулата е равнинна (планарна), това позволява на р-орбиталите да се припокриват. Също така трябва да има (4n + 2) електрони в пръстена, където n е равно на 0, 1, 2 или всяко друго положително цяло число. Това е т.нар. правило на Хюкел. Хайде да анализираме бензена малко по-подробно. Ако разгледаме структурната формула, виждаме, че бензена има 2 пи-електрона тук, два тук и още два тук, което е общо шест пи-електрона. Ако разгледаме въглеродите на бензена, виждаме, че всеки въглерод е свързан с двойна връзка. Значи всеки въглероден атом е sp2-хибридизиран. Щом всеки въглерод е sp2-хибридизиран, това означава, че той има свободна р-орбитала. Сега ще скицирам нехибридизираната свободна р-орбитала при всеки от шестте въглерода в бензена. Тъй като бензенът има плоска молекула, това позволява на тези р-орбитали да се припокриват странично. Така че имаме странично застъпване на тези р-орбитали. Бензенът съдържа пръстен от непрекъснато застъпващи се р-орбитали. р-орбиталите са атомни орбитали. Тук имаме общо шест атомни орбитали на бензена. Съгласно теорията на молекулните орбитали, тези шест атомни орбитали не трябва да могат да съществуват. Вместо това ще имаме шест молекулни орбитали. Така че бензенът има шест молекулни орбитали. Но да нарисувам тези шест молекулни орбитали е прекалено сложно за това видео. Можеш да видиш в учебника си хубави диаграми на шестте молекулни орбитали на бензена. Обаче е важно да разгледаме тези шест молекулни орбитали по отношение на техните относителни енергийни нива. Най-простият начин за това е да нарисуваме диаграма на Фрост. Тук вече имаме нарисувана окръжност. Вътре в окръжността ще впишем многоъгълник. Понеже бензенът е шестатомен пръстен, ще впишем шестоъгълник в нашата окръжност. Ще направя една централна линия тук през окръжността, просто за да ни помага при построяването. Когато вписваш многоъгълника в твоята окръжност, винаги започвай отдолу. Значи започваме отдолу. Ще впишем шестоъгълник. Да видим можем ли да впишем тук шестоъгълник. Имаме фигура с шест страни в нашата окръжност. Основното за диаграмата на Фрост е, че навсякъде, където многоъгълникът пресича окръжността, това представлява енергийното ниво на молекулната орбитала. Това пресичане тук, това пресичане тук и всички тези тук. Имаме шест молекулни орбитали. Имаме относителните енергийни нива на тези шест молекулни орбитали. Нека да ги нанеса тук. Имаме три молекулни орбитали, които са над централната линия. Те имат по-висока енергия. Това са т.нар. антисвързващи молекулни орбитали. Това са антисвързващи молекулни орбитали, които имат най-висока енергия. Ако погледнем тук, тук има три молекулни орбитали, които са под централната линия. Това са свързващи молекулни орбитали (МО). Те имат по-ниска енергия. Ако имаме няколко МО, които са на централната линия, това са несвързващи МО. Ще попълним нашите молекулни орбитали с нашите р-електрони. Връщаме се тук. Спомни си, че бензенът има шест пи-електрона. Попълването на молекулните орбитали е аналогично на електронните конфигурации. Запълваме първо най-ниската молекулна орбитала. Всяка орбитала може да съдържа само два електрона, също като електронните конфигурации. Значи поставяме тук два електрона на най-ниската свързваща молекулна орбитала. Имам още четири р-електрона, за които да се погрижим. Сега ще ги разположа. Попълних свързващите молекулни орбитали на бензена. Представих всичките шест пи-електрона. Ако разглеждам правилото на Хюкел, 4n + 2, тук имаме 6 пи-електрона. Ако n е равно на 1, правилото на Хюкел е спазено. Имаме 4 по 1 плюс 2. Така получаваме общо шест пи-електрона. Общо шест пи-електрона изпълнява правилото на Хюкел. Ако разгледаме диаграмата на Фрост, можем да разберем по-добре правилото на Хюкел. Ако разглеждам тези два електрона тук долу, можеш да помислиш откъде идват те в правилото на Хюкел. Ако разгледаме тези четири електрона тук горе, това е четири електрона с положително цяло число 1. Значи 4 по 1, плюс 2 ни дава шест пи-електрона. И запълнихме свързващите молекулни орбитали на бензена, което означава допълнителна стабилност и се нарича ароматност или ароматна стабилизация. Така че бензенът е ароматен. Той изпълнява различните ни критерии. В следващите няколко видео урока ще разгледаме няколко примера за ароматни съединения и йони.