Стабилност на ароматните съединения III

Вече знаем, че едно съединение е ароматно, когато съдържа пръстен с непрекъснато припокриващи се р-орбитали и също така има 4n + 2p-електрони в пръстена, като n е цяло положително число. Например n може да е нула, едно, две или т.н. Можем да използваме този критерий, за да анализираме циклопропениловите катиони. Ето тук е моят циклопропенилов катион. Ако разгледаме колко пи-електрони има, това са два пи-електрона в йона. Тук ще запиша два пи-електрона. Като разгледам въглеродните атоми в йона, този въглерод има двойна връзка, така че той е sp2-хибридизиран. Същото се отнася и за този въглерод. Този въглерод тук горе, този карбокатион, също е sp2-хибридизиран. Знаем, че sp2-хибридизираните въглероди имат свободна р-орбитала. Всеки въглерод в този йон има р-орбитала. Затова мога да покажа това в тази диаграма. Ще скицирам р-орбиталата при всеки въглерод в пръстена. Това ни позволява да видим, че р-орбиталите могат да се припокрият странично. Така че този йон изпълнява първия критерий. Този йон има непрекъснато припокриващи се р-орибали. Знаем, че р-орбиталите са атомни орбитали. Имаме общо три атомни орбитали. Съгласно теорията на молекулните орбитали тези три атомни орбитали ще се обединят и ще получим три молекулни орбитали. Мога да анализирам относителните енергийни нива на тези молекулни орбитали, като използвам т.нар. диаграма на Фрост. Виждали сме диаграми на Фрост и преди. Просто ще начертая тук една линия, която разделя кръга на две половини, което разделя свързващите и антисвързващите молекулни орбитали. Винаги започваме отдолу на диаграмата на Фрост. Вписвам един многоъгълник, който съответства на броя на атомите в пръстена. В този случай имаме пръстен с три атома. Значи ще впиша триъгълник в диаграмата на Фрост. Сега ще опитам да впиша триъгълник в този кръг тук. Това не е най-хубавият триъгълник, но важното е, че точките, в които многоъгълникът пресича окръжността представят енергийните нива на молекулните орбитали. Тук имаме общо три молекулни орбитали, като разгледаме диаграмата на Фрост. Когато ги представям тук, знаем, че тук има една молекулна орбитала. Тук горе имаме две молекулни орбитали. Свързващите молекулни орбитали винаги имат по-ниска енергия. Значи тази орбитала тук долу е свързващата молекулна орбитала. Следователно имам две антисвързващи МО тук горе. Значи ме интересуват два р-електрона. Това е напълно аналогично на електронните конфигурации. Първо запълвам най-ниско енергийната молекулна орбитала. Това е свързващата молекулна орбитала. Имам само два р-електрона. Тези два р-електрона ще запълнят изцяло свързващата молекулна орбитала. Сега да анализираме това съгласно правилото на Хюкъл. Това тук ще бъде две, което представя двата пи-електрона. И след това имаме нула електрони в антисвързващите МО. Значи имаме четири пъти нула. 4 по 0 е 0. Плюс 2 дава 2 съгласно правилото на Хюкъл. Значи в пръстена имаме два пи-електрона. Този йон отговаря и на вторият критерий. Този циклопропенилов катион е ароматен. Ще запиша, че този йон е ароматен. И той е изключително стабилен. Това заключение ни помага да обясним някои от свойствата, свързани с тази молекула тук долу, която е циклопропенон. При циклопропенонът има голямо ъглово напрежение и триатомен пръстен. Тук имаме по-висок диполен момент, отколкото можем да очакваме. Можем да обясним тези две неща, като разгледаме резонансната структура на молекулата на циклопропенона. Ако запиша резонансната структура, мога да взема тези пи-електрони и да ги преместя тук при кислорода. Така резонансната структура има ето такъв пръстен от три атома. После идва този кислород, който сега има три несподелени електронни двойки, което му дава формален заряд –1. Взимаме една връзка тук от този карбонилов въглерод. Така той получава формален заряд +1. И можеш да видиш, че току-що се получи циклопропенилов катион, който знаем, че е много стабилен. Той е ароматен. И макар това да е една много рядка резонасна структура за повечето карбонилни съединения, точно тази обаче е по-често срещан хибрид поради допълнителната стабилност, свързана с циклопропениловия катион, който е ароматен. Това придава допълнителна стабилност на молекулата. Можем също така да начертаем и да покажем положителния заряд, който е разпределен в триатомния пръстен ето така. После тук е кислородът, който има отрицателен заряд. Това ни позволява да видим по-добре увеличения диполен момент. Тъй като тази част отляво е изключително стабилна и има положителен заряд, тя е ароматна. Това означава, че има увеличен диполен момент и увеличена стабилност, въпреки значителното ъглово напрежение, наблюдавано в циклопропеноновата молекула. Можеш да използваш концепцията за ароматната стабилност, за да анализираш структурата и на други молекули. Хайде да видим още един пример. Да разгледаме тази молекула, която е циклобутадиен. Тук отляво имаме циклобутадиен. Да видим р-електроните, тук има 2 р-електрона. Тук има още два, така че стават общо 4 р-електрона. Има общо 4 р-електрона в молекулата. Когато погледна въглеродите, всеки въглерод има двойна връзка. Значи всички въглероди са sp2-хибридизирани. Всеки въглерод има свободна р-орбитала. Мога да скицирам р-орбиталите тук в тази формула ето така. Тук по-лесно се вижда, че тези р-орбитали се припокриват странично. Така първият критерий беше изпълнен. Имам пръстен с непрекъснато припокриващи се р-орбитали. Но когато разглеждам втория критерий, той е 4n + 2р-електрона. Това не е изпълнено. Ние имаме само 4 р-електрона. Това е 4n, като n е 1. 4 по 1 е 4, имаме 4n р-електрона. Но нямаме 4n + 2. Вече знаем, че това съединение не е ароматно, само като разгледаме това. Но нека да начертая молекулните орбитали и да видим къде ще поставим тези 4 р-електрони в нашите молекулни орбитали. Четирите р-орбитали са тук в структурната формула. Тук имаме общо четири атомни орбитали при циклобутадиена. Теорията на МО ни казва, че четирите атомни орбитали ще образуват четири молекулни орбитали. Ще запиша тук диаграмата на Фрост. Прекарвам линия през центъра на окръжността, за да разделя свързващите от антисвързващите МО. Винаги започваме отдолу на окръжността. Пръстен с четири атома. Ще начертая четириъгълник в нашата диаграма на Фрост. Ще опитам да начертая този четириъгълник. Отново, точките, в които многоъгълникът пресича окръжността, представят енергийните нива на МО. Имаме общо четири молекулни орбитали. Ако погледнем, тук имаме молекулна орбитала под чертата. Това е свързващата молекулна орбитала. Имаме МО над централната линия. Това е антисвързващата МО. И този път имаме две МО, които са на централната линия, които са несвързващи молекулни орбитали. Сега да поставим 4-те р-електрона, като отново започваме от най-ниската енергийна орбитала. Тук ще бъдат 2 р-електрона. Остават още два. Следват несвързващите МО, които имат еднакво енергийно ниво. Ако си спомниш правилото на Хунд за електронните конфигурации, не можем да образуваме двойка с тези два р-електрона, защото орбиталите имат еднаква енергия. Така че получаваме тази картинка. Виждаш, че имаме два несдвоени електрона. Два несдвоени електрона означава, че тази молекула е изключително реактивоспособна. И това се доказва при опитите. Така циклобутадиена всъщност реагира сам със себе си. Той експериментално е изключително реактивоспособен, което означава, че не е допълнително стабилизиран. Той не е ароматен. Тук нямаме 4n + 2 р-електрона. Вторият критерий не е изпълнен, но това съединение изпълнява първият критерий. Затова такова съединение се нарича анти-ароматно, което означава, че изпълнява първият критерий, има пръстен с непрекъснато застъпващи се р-орбитали, но не изпълнява вторият критерий. Няма 4n + 2 р-електрона. Има само 4n електрона. Затова то е анти-ароматно. Всъщност има много малко примери за антиароматни съединения. Но циклобутадиенът се приема като антиароматно съденинение. В следващото видео ще разгледаме още няколко примера за ароматна стабилност.