Стабилност на ароматните съединения II

В предишното видео видяхме, че бензенът е ароматно стабилизиран. И когато химиците за пръв път получили циклооктатетраен, това е ето тази молекула тук, те допускали, че той ще реагира като бензена. Защото изглежда, че има редуващи се единични и двойни връзки и пръстен. Те предполагали, че той ще се държи като бензена. Но се оказало, че циклооктатетраенът не се държи като бензена. Бензенът не реагира по начина, по който реагира циклохексенът. Циклохексенът дава смес от енантиомери, когато се присъедини бром при двойната връзка. При бензена не е така. Но циклооктатетраена също се държи така. Това дава смес от енантиомери и бромът ще се присъедини при една от тези двойни връзки. Излиза, че циклооктатетраенът даже не е спрегнат. Изглежда, че има редуващи се единични и двойни връзки в тази структура, но се държат като отделни двойни връзки, като съвсем отделни двойни връзки. Той не е ароматен. Да видим дали можем да анализираме причините за това. Така че наистина набързо ще прегледаме критериите за определяне дали едно съединение е ароматно или не е. Едно съединение или йон е ароматно, ако съдържа пръстен от непрекъснато припокриващи се р-орбитали, ако в пръстена има 4n +2 р-електрона, където n е цяло число, което е правилото на Хюкел. Това тук е моята молекула на циклооктатетраена. Ако преброя р-електроните, мога да видя, че има общо осем р-електрона в тази молекула. Значи осем р-електрона. И всеки въглерод в циклооктатетраена е sp2-хибридизиран. Всеки въглерод има свободна р-орбитала. Сега, фактът, че циклооктатетраенът има осем атома в пръстена, означава, че има известно ъглово напрежение в тази молекула. Една възможна конформация за молекулата е т.нар. конформация "вана". Можеш да видиш тези два въглерода, които се изтеглят в двете страни, за да се получи конформацията "вана". Ако всеки въглерод в конформацията вана е sp2-хибридизиран, мога да поставя р-орбитала при всеки въглерод в конформацията вана. Като го направя, получавам ето това тук. Тук обаче за р-орбиталите е трудно да се припокриват. Може да е лесно за тези тук да се припокрият, но поради вида на конформацията вана, е трудно да се припокрият с тези орбитали. Това е причината защо тази молекула не изглежда като спрегната. Това е защото тя има р-орбитали, но всъщност те не могат да се припокрият в конформацията вана. Това нарушава първия критерий за ароматност на едно съединение. Затова циклооктатетраенът не е ароматен. Той не е ароматен, защото не изпълнява първото условие. Няма поредица от непрекъснато припокриващи се р-орбитали. Тези р-орбитали всъщност не се припокриват добре в конформация вана. А какво ще стане, ако циклооктатетраенът има планарна конформация? Нека да си представим, че циклооктатетраенът има планарна конформация. Отново, всеки въглерод е sp2-хибридизиран. Всеки въглерод ще има р-орбитала като тази. Имаме общо осем въглерода. Това са осем р-орбитали. Значи осем атомни орбитали. Нека да го запиша. Имаме общо осем атомни орбитали при циклооктатетраена. Според теорията на молекулните орбитали, тези осем атомни орбитали ще ни дадат осем молекулни орбитали. Значи атомните орбитали изчезват, и получаваме осем молекулни орбитали. Да нарисувам тези осем молекулни орбитали е твърде сложно за това видео. Затова всъщност няма да ги рисувам, но ще покажа къде се намират те по отношение на енергията си с помощта на диаграма на Фрост. Това видяхме в последното видео. Как да начертаем диаграма на Фрост. Сега ще направя една централна линия в диаграмата на Фрост, която ще ми помогне да начертая многоъгълник. Какъв многоъгълник? Имам пръстен с осем атома, значи ще начертая осмоъгълник. Започвам отдолу. Ще опитам да начертая една осмоъгълна фигура. Трябва да е нещо такова. Запомни, че когато правиш диагарама на Фрост, и когато вписваш многоъгълника, важно е къде многоъгълникът пресича окръжността. Всяка точка, в която многоъгълникът пресича окръжността, представлява една молекулна орбитала. Тук виждам, че имам общо осем молекулни орбитали, понеже имам осем точки на пресичане между многоъгълника и окръжността. Хубавото при диаграмата на Фрост е, че показва относителните енергии на молекулните орбитали. Имаме три свързващи молекулни орбитали (МО), които са ето тези тук долу. Тези три пресечни точки ни дават относителните енергии. Имаме три свързващи МО. Тук отгоре също имаме три молекулни орбитали. Това са антисвързващите молекулни орбитали. Те имат най-висока енергия. И двете пресечни точки в средата тук, представляват несвързващите молекулни орбитали. Когато попълвам молекулните орбитали, това е аналогично на атомните орбитали. Имам общо осем р-електрона, които ме интересуват в нашата планарна молекула на циклооктатетраена. Затова тук ще поставя моите р-електрони. Тук са шест от тях и остават още два. И тъй като това е аналогично на електронните конфигурации, ще следвам правилото на Хунд и няма да сдвоявам електроните в една орбитала. Това представляват моите осем р-електрона. И понеже имам несдвоени електрони, имам два несдвоени електрона, това означава, че молекулата ще е много нестабилна, ако е в планарна конформация. Ако приложа правилото на Хюкел, виждам, че то не е изпълнено. Правилото на Хюкел е 4n +2, къдете n е произволно цяло число. Две идва от това, че тук имам тази орбитала тук долу. Тук имам 4n. Но аз нямам 4n, където n е цяло число за тези два електрона тук. Ето къде го нарушаваме. Имаме общо осем р-електрона, които не съответстват на правилото на Хюкел. Понеже броят на електроните е неподходящ, тази молекула определено няма да има планарна геометрия. Така че циклооктатераенът има конформация вана, а не планарна. Той не е ароматен. Той се счита за неароматен, защото не изпълнява първия критерий. Но циклооктатетраенът реагира. Възможно е той да бъде окислен. Да видим какво ще стане като направим това. Ако окислим циклооктатетраена. Той ще изгуби електрони. Бих казал, че тези р-електрони ще останат. Ще изгубим тези р-електрони отляво. Ако взема една връзка от тези два въглерода, които тук имат двойна връзка, те ще се заредят положително. Сега мога да напиша резонансна структура на това. Мога да преместя тези електрони ето тук. Ако напиша тази резонансна структура, тогава този въглерод все още има заряд +1. Другият положителен заряд се премества при този въглерод. Можеш да продължиш да пишеш резонансни структури за тази молекула. Аз няма да го направя. Искам само да ти покажа, че положителните заряд се разпределят в този целия йон. Един начин да представим това е просто да покажем, че електроните се разпределят в целия йон. И цялото нещо има заряд +2. Когато анализирам този дикатион, който получих от циклооктатетраена, разбирам, че всички въглероди са sp2-хибридизирани. Ако разгледам тези, карбокатионите са sp2-хибридизирани. Всичко, което има двойна връзка, е sp2-хибридизирано. Значи имам осем такива sp2-хибридизирани въглерода. Всеки от тези sp2-хибридизирани въглероди има една р-орбитала. Имам също така шест р-електрона. Имам два, четири, шест електрона. Шест електрона съответства на приволото на Хюкел. Излиза, че този йон е планарен. Той изглежда ето така. И има възможност тези р-орбитали да се припокрият странично. Значи този йон изпълнява първия критерий. Той съдържа пръстен от непрекъснато припокриващи се р-орбитали. Когато анализираш втория критерий, тук има шест р-електрона. Те ще изпълнят свързващите молекулни орбитали. Ако ги няма тези два електрона тук горе. Тук има шест р-електрона. Това изпълнява правилото на Хюкел. Имаме общо шест р-електрона в този дикатион. Затова този йон се нарича ароматен. Това е ароматен йон. Той отговаря и на двата критерия за ароматност. И затова е изключително стабилен. Ето защо той е планарен, защото има осем въглерода като циклооктатетраена. И заради този брой, той трябва да преодолее известно напрежение. Затова той ще се сгъне като вана, за да преодолее това напрежение. Но понеже това е планарен дикатион, това означава, че има допълнително стабилизиране, което го прави планарен йон. И това допълнително стабилизиране е това, че той е ароматен. Доказано е, че този йон е планарен. Това видео е просто преглед на циклооктатетраена и защо самият той е неароматен. Но когато се превърне в катион, той може да бъде ароматен, което още веднъж доказва концепцията за ароматната стабилизация.