Стабилност на ароматните съединения IV

Това е молекулата на циклопентадиена. Нека да я анализираме, за да видим дали изпълнява критериите за ароматност. Започваме с първия критерий. Тя съдържа пръстен с непрекъснато застъпващи се р-орбитали. Ако разгледаме тези въглероди, този въглерод има двойна връзка, така че е sp2-хибридизиран. Следователно има свободна р-орбитала. Същото е при този въглерод, както и с тези двата тук. Тези четири въглерода са sp2-хибридизирани. Но ето този въглерод е sp3-хибридизиран. Това е по-лесно да се види, ако поставя водородните атоми. Този въглерод има четири единични връзки, той е sp3-хибридизиран, което означава, че този въглерод няма свободна р-орбитала. Затова циклопентадиенът не е ароматен. Той не отговаря на първия критерий. Няма пръстен със застъпващи се непрекъснато р-орбитали. И понеше не изпълнява първия критерий, можем да кажем, че циклопентадиенът не е ароматен. Дори няма нужда да разглеждаш втория критерий. Той не изпълнява първия критерий, за да бъде ароматен. Но циклопентадиенът има едно интересно свойство. Той е изключително киселинен за въглеводород. Той има рkа приблизително 16 за един от двата протона, които съм направил в жълто. Следователно тук има някаква допълнителна стабилност, свързана със спрегнатата основа, за да може циклопентадиенът да е толкова киселинен. Ако си представим, че се приближава някаква основа, нещо с несподелена електронна двойка и отрицателен заряд, някакъв общ случай на основа... Тя ще отнеме този протон тук, като ще останат тези два електрона при този въглерод тук горе. И ако запишем структурата на спрегнатата основа, тук имаме р-електрони. Сега имаме несподелена електронна двойка при горния въглерод, което му придава отрицателен заряд. Това е спрегнатата основа. Тук трябва да има някакъв вид стабилизация, свързана с тази спрегната основа, поради която циклопентадиенът е толкова киселинен. Спомни си, че колкото по-стабилна е спрегнатата основа, толкова по-киселинно е съединението. В този случай тази допълнителна стаблиност е свързана с факта, че този йон е ароматен. Той може да не изглежда така, защото ако погледнем горния въглерод, горният въглерод все още изглежда sp3-хибридизиран, понеже е карбанион. Обаче тази несподелена електронна двойка може да участва в резонанса. Затова взимаме тази несподелена електронна двойка и я преместваме тук, и това ще изтласка тези електрони тук при този въглерод. Ако запишем една от възможните резонансни структури... Ще я запиша и ще покажа, че тези електрони сега са се преместили ето тук. Сега тези електрони са при този въглерод ето тук. Така че той има формален заряд –1. После имаме тези р-електрони ето тук. Сега да разгледаме горния въглерод, виждаме, че той всъщност е sp2-хибридизиран. В тази резонансна структура той изглежда sp2-хибридизиран. И тази несподелена електронна двойка тук в цикламено сега е в р-орбитала, защото участва в резонанса. И тук всъщност има повече резонансни структури, които можеш да начертаеш. Няма да го правя сега в това видео. Искам само да покажа, че тези електрони в цикламено, несподелената електронна двойка в цикламено участва в резонанса. Следователно несподелената двойка електрони всъщност е делокализирана и заема р-орбитала в пръстена. Сега имаме пръстен с непрекъснато застъпващи се р-орбитали. Тук отляво, ние вече казахме, че тези въглеродни атоми са sp2-хибридизирани. И ако разгледаш тези резонансни структури, то всички въглероди в този пръстен са sp2-хибридизирани. Така е изпълнен първият критерий. Имаш пръстен с непрекъснато застъпващи се р-орбитали. Нека сега анализираме този анион с диаграма на Фрост. Ще скицирам тук нашия анион, който има формален отрицателен заряд –1. Когато разглеждам р-електроните в тази молекула, ще ги оцветя ето така. Тук са 2 р-електрона, после 4 р-електрона. Видяхме, че тази несподелена електронна двойка участва в резонанса. Значи тази несподелена двойка електрони се намира на р-орбитала. Сега това са р-електрони. И имаме общо 6 р-електрона. В този анион има 6 пи-електрона. Видяхме, че всички тези въглероди са sp2-хибридизирани, когато представихме резонансните структури. Всеки от тези въглероди има р-орбитала. Мога да скицирам р-орбитала на тази диаграма. Имаме пет въглерода в пръстена. Всеки въглерод има р-орбитала. Тук има 5 р-орбитали в пръстена. Виждаме, че тези р-орбитали в пръстена се застъпват и електроните са преразпределени. Застъпването на тези р-орбитали удовлетворява първия критерий. Имаме пръстен от непрекъснато застъпващи се р-орбитали. Имаме общо пет р-орбитали. Знаем, че тези р-орбитали са атомни орбитали. Пет атомни орбитали, съгласно теорията на молекулните орбитали (МО) ще дадат пет молекулни орбитали. Мога да представя тези молекулни орбитали по отношение на тяхната енергия с диаграма на Фрост. Сега ще начертая тук една линия. Когато правиш диаграма на Фрост, запомни, че винаги трябва да започваш отдолу. Пръстен от пет атома означава, че трябва да впиша петоъгълник в окръжността. Ще опитам да впиша един петоъгълник. Да видим дали мога. Поставям тези отсечки ето така. Ето го моят петоъгълник, вписан в окръжността. Отново, най-важното са пресечните точки на петоъгълника и окръжността. Те представят енергийните нива на молекулните орбитали. Както виждаш, тук ще има три свързващи молекулни орбитали. Тези, които са под централната линия. Две антисвързващи молекулни орбитали, ето така. Сега трябва да попълня тези МО с нашите 6 р-електрона. Поставям шестте р-електрона ето така. Можеш да видиш, че съм попълнил свързващите МО, все едно имаме пълен външен слой. После следва правилото на Хюкъл. Имаме 4n + 2 р-електрона. От енергийната диаграма виждаме, че тук ще имаме два електрона. Това е 4 по 1. Значи n е равно на 1. Получаваме общо 6 р-електрона. Значи този йон удовлетворява и двата критерия. Съдържа пръстен от застъпващи се р-орбитали. Има и 4n + 2 р-електрона в пръстена. Значи тази спрегната основа тук е стабилна, защото е ароматен йон, което е причината за толкова ниската рka стойност на циклопентадена. Дори циклопентадиенът сам да не е ароматен, този йон тук се оказва ароматен, което обяснява неговата стабилност. Сега да разгледаме още един йон. Тук имаме циклохептатриенолен катион. Да видим р-електроните: имаме 2, 4, 6 р-елелктрона в този йон. Значи общо 6 р-електрона. Търся sp2-хибридизирани въглеродни атоми, тук всички имат двойни връзки. Всички те са sp2-хибридизирани. Карбокатионът тук при този въглерод също е sp2-хибридизиран. Значи всичките седем въглеродни атома са sp2-хибридизирани, което означава, че всеки от тези въглеродни атоми има р-орбитала. Това е малко трудно за скициране. Но виждаш, че всички седем въглеродни атома имат р-орбитала, което прави лесно да се види, че р-орбиталите се застъпват в пръстена и р-електроните са разпределени. Значи първият критерий е изпълнен, има пръстен със застъпващи се р-орбитали. Това са общо седем р-орбитали. Значи седем атомни орбитали. Отново, тези седем атомни орбитали дават седем молекулни орбитали, които ще представя в диаграмата на Фрост. Тук ще направя диаграмата на Фрост, чертая разделителната линия между свързващите и антисвързващите молекулни орбитали. Понеже имаме седематомен пръстен, ще се опитам да скицирам седмоъгълник в диаграмата на Фрост. Това е може би най-сложното за начертаване. Да видим дали ще мога да направя нещо приблизително като седмоъгълник вътре в тази окръжност. Нещо като това е нашият седмоъгълник. Отново ни интересуват точките на пресичане, които представят енергийните нива на молекулните орбитали. Сега се вижда лесно, че имаме три свързващи молекулни орбитали. Имаме четири антисвързващи молекулни орбитали. Ще нанеса шестте електрона на диаграмата. Отново, електроните попълват първо най-нискоенергийните орбитали. Така разпределяме нашите шест р-електрона. Виждаш, че запълних всички свързващи молекулни орбитали. Оттук е допълнителната стабилност на йона, която се дължи на неговата ароматност. n е равно на 1. 4 по 1 дава 4, плюс 2 дава общо 6 р-електрона. Изпълнени са и двата критерия. Имаме пръстен от непрекъснато застъпващи се р-орбитали, ето тук. Тук отляво е нашият пръв критерий. Това е нашият пръстен. После имаме 4n + 2 р-електрона. Затова циклохептатриенолният катион е ароматен. Това е ароматен катион. И очакваме да има допълнителна стабилност.