Резонансни структури и хибридизация

Ще разгледаме амида, или амидната функционална група и ще започнем с определянето на стеричния номер на този азот. Стеричният номер е равен на броя на сигма връзките; тук има сигма връзка и тук има сигма връзка, тук също има сигма връзка, така че има три сигма връзки. Плюс броя на несподелените електронни двойки, като тук този азот има една несподелена електронна двойка, ще я оцветя. Три плюс едно е равно на четири, стеричното число, което означава четири хибридни орбитали, следователно има sp3-хибридизация при този азот. От по-ранни видеа знаеш, че sp3-хибридизацията означава тригонална пирамидална структура за този азотен атом. Това е един начин да разгледаме тази функционална група, и тази несподелена електронна двойка се намира при азотния атом; обаче сега, след като вече сме учили за резонансните структури, знаем, че несподелената двойка не е локализирана при този азот; тя е делокализирана в резонанс. Значи можем да вземем несподелената двойка електрони и да я преместим тук, при което ще се образува пи-връзка, ще трябва да преместим пи-електроните при този кислород, така че сега ще направя резонансната структура. Този кислород горе сега ще има три несподелени двойки електрони и формален заряд –1, а тук ще има двойна връзка между този въглерод и този азот, така че сега ще начертая всичко това. Този азот сега има формален заряд +1, можем да поставим и нашите резонансни скоби. Нека да проследим тези електрони, розовите електрони, несподелената електронна двойка се премества тук и образува пи-връзка, а пи-електроните, които са в синьо, идват при кислорода, при което кислорода получава заряд –1. Хайде сега да изчислим стеричното число на този азотен атом за втората резонансна структура. Стеричното число е равно на броя на сигма връзките: тук има сигма връзка, тук има сигма връзка и двойна връзка, за която знаем, че едната връзка е сигма, а едната е пи. Значи сигма връзките при азота са три, няма несподелени ел. двойки, три плюс нула дава стерично число, равно на три. Това означава три хибридни орбитали, което означава sp2-хибридизация, и тригонална планарна форма на този азотен атом, това е равнивна структура. Тук показахме, че електроните са делокализирани, значи несподелената електронна двойка е делокализирана поради резонанса и експериментално е показано, че амидната функционална група е равнинна, т.е. тези атоми лежат в една равнина, което означава, че розовите електрони не са локализирани при този азотен атом; те са делокализирани. Това предполага, че този азот има sp2-хибридизация, има р-орбитала, което позволява на несподелената двойка електрони в розово да бъдат делокализирани. Това е случай, когато определянето на резонансната структура ни помага да разберем какво се случва в действителност. Несподелената електронна двойка участва в резонанса, при което този азот е sp2-хибридизиран, следователно има р-орбитала. Сега да видим този пример тук долу, да видим първо молекулата отляво, виждаме амидна функционална група, виждаме несподелената електронна двойка при този азот, за която току-що казахме, че тази несподелена двойка всъщност е делокализирана, така че тази несподелена двойка участва в резонанса. Това оказва влияние на пространствената структура и начина на разглеждане на хибридизацията на този азотен атом. Розовите електрони са делокализирани, защото участват в резонанса и... ще използвам друг цвят, ще направя тези електрони сини, така че сините електрони при амина няма къде да отидат, те не могат да участват в резонанса, тези несподелени електрони в синьо са локализирани при този азот. Ето защо амидът е различен от амина като функционална група и има различни химични свойства. Ако разгледаме друг пример – тази молекула тук, ако приемем, че несподелената двойка електрони при този азот е локализирана, нека да изчислим стеричното число. Стеричното число е равно на броя на сигма връзките, значи това е едно, две, три; имаме три сигма връзки. Плюс двойката несподелени електрони, имаме една несподелена двойка при този азот, така че 3 + 1 е равно на 4, имаме четири хибридни орбитали, което предполага sp3-хибридизация на този азотен атом. Но ние знаем, че несподелената електронна двойка не е локализирана при азота, тази несподелена електронна двойка е делокализирана, тя участва в резонанса, защото имаме този модел. Това е случаят, когато несподелена електронна двойка, тази в синьо, е до пи-връзка, която ще направя в розово, и сега мога да определя резонансната структура. Мога да взема сините електрони, да ги преместя тук, при въглерода връзките стават твърде много, затова премествам розовите електрони при този въглерод. Така определихме резонансната структура, имам моя пръстен, азотът, който е свързан с водород, сините електрони се преместиха, за да образуват пи-връзка, а розовите електрони се преместиха при този въглерод, който сега има формален заряд –1. Добре, сега да определим стеричното число на този азот, който има формален заряд +1. Стеричното число е равно на броя на сигма връзките: тук има една сигма връзка, тук има една сигма връзка, тук има двойна връзка, едната е сигма и едната е пи. Значи това е нашата сигма връзка. Стеричното число е равно на 3 плюс броя на несподелените електронни двойки, който сега е нула. Значи стеричното число е три, което означава три хибридни орбитали или sp2-хибридизация. И като знаем това, тази несподелена двойка е делокализирана, тя ще се намира на р-орбитала и следователно този азот е sp2-хибридизиран, защото при sp-хибридизацията има три sp хибридни орбитали и една р-орбитала. Значи несподелената двойка в синьо е делокализирана; тя заема р-орбиталата и сега ще начертая това, нека това да е азотът, ако го погледнеш, той е малко под ъгъл. Ако този азот е sp2-хибридизиран, този азот има р-орбитала, така че ще я направя тук при този азотен атом. Значи сините електрони, които са делокализирани, ще заемат тази р-орбитала; те могат да участват в резонанса. Добре, хайде сега да покажа и водорода, просто за да го довърша, и докато правех тези резонансни структури всъщност забравих да добавя тези електрони, защото продължих напред, мога да взема тези розови електрони и да ги преместя тук, след това да преместя тези електрони при този въглерод и мога да продължа така. Тук има много повече резонансни структури, които могат да се определят. Но няма да го правя, за да спестя време. Тук просто искам да покажа как резонанса влияе на хибридизацията, или как трябва да разглеждаме хибридизацията, когато определяме тези несъвършени Люисови структури с точки. Сега да довършим нашата молекула, защото знаем, че тези четири въглерода тук имат двойни връзки. Така че тези четири въглерода са sp2-хибридизирани, а щом те са sp-2 хибридизирани, всеки от тях има р-орбитала, така че мога да начертая р-орбитала на всички въглеродни атоми. И можеш да разглеждаш тези електрони... нека да ги оцветя, електроните в червено, значи тези пи-електрони участват в резонанса и имаме общо 6 пи-електрона, които участват в резонанса, тези четири в червено и също така тези тук, в синьо, които се намират на тези р-орбитали. Това е много важно, когато разглеждаме ароматните съединения по-късно. Засега просто се опитай да различаваш делокализираните от локализираните електрони; в този случай електроните при азота са делокализирани, те участват в резонанса. Хайде да направим още един пример, един последен. Да започнем с изчисляването на стеричното число на азота, начертал съм го тука. Стеричното число е равно на броя на сигма връзките. Тук имаме сигма връзка, тук имаме двойна връзка, едната е сигма. Имам две сигма връзки плюс една двойка несподелени електрони. една несподелена двойка тук при този азот, стеричното число е 2 + 1, значи 3. Това означава три хибридни орбитали, или sp2-хибридизация. Ако азотът е sp2-хибридизиран, тогава той има р-орбитала, нека да я скицирам тук, при този азотен атом, и след това да разгледаме тези въглеродни атоми. Имаме едно, две, три, четири, пет въглеродни атома, всички те участват в двойни връзки, така че въглеродите са sp2-хибридизирани, и мога да направя р-орбитали при тези въглеродни атоми. Всички тези въглероди имат 3 sp2-хибридни орбитали и по една нехибридизирана р-орбитала. Това е същото като при азота тук: щом този азот е sp2-хибридизиран, той има 3 sp2-хибридни орбитали и една нехибридизирана р-орбитала. Вече съм нарисувал нехибридизираната р-орбитала; нека да направя и тези хибридни sp2-орбитали, ще използвам розово. Значи една от тези sp2-орбитали ще образува сигма връзка другата ще обарзува сигма връзка тук, другата ще образува сигма връзка тук и накрая третата sp2-орбитала трябва да е тук. И това е точно къде е несподелената електронна двойка, значи тази двойка електрони в синьо е локализирана в тази sp2-хибридна орбитала, така че... ще поставя тук една стрелка. Значи несподелената електронна двойка се намира на тази sp2 хибридна орбитала. Така че несподелената двойка не може да участва в резонанса, тъй като азотът вече има пи-връзка. Ако се върнем тук, тези пи-електрони използват р-орбиталата, и щом като тези зелени пи-електрони са заели тази р-орбитала, тук вдясно, тази р-орбитала ето тук; това означава, че сините електрони не могат да я използват, следователно тези сини електрони ще останат при този азот. Което сигурно е различно от това, което очакваше, защото говорихме за този модел, несподелена електронна двойка до пи-връзка, така че сигурно очакваше да направим резонансна структура, но ние не можем, защото тези електрони в зелено участват в резонанса и те вече са заели р-орбиталата. Това е един вид изключение от правилото, което разглеждахме, че една несподелена двойка до пи-връзка е делокализирана, така че това е нещо различно.