Ароматические углеводороды
В 19 веке ученные обнаружили, что некоторые циклические соединения обладают черезвычайной устойчивостью к восстановлению и окислению. Подобные непредельные соединения не склонны к реакциям присоединения, поэтому долгое время не могли прогидрировать. Например, бензол прогидрировали лишь через сто лет после его открытия.
Брутто формула бензола – С 6 Н 6 . Однако, зная брутто формулу бензола, не могли определиться с его структурной формулой. Например:
Большой вклад в определение структуры и термодинамических характеристик ароматических соединений внесли английские ученые: Ингланд, Илиел Э. и Кекуле.
В основе теории лежат три постулата определяющие особенности ароматических структур :
1) все ароматические соединения являются непредельными и циклическими;
2) все элементы цикличнеской структуры находятся в sp 2 гибридном состоянии;
3) ароматическая структура должна иметь плоскостное строение, то есть все атомы, входящие в цикл компланарны .
Непременным условием ароматичности является правило Хюккеля:
Количество электронов, участвующих в образовании π-системы подчиняется правилу q=4n+2, где n – любое целое положительное число. То есть, при n=0, q=2 (минимальное количество π-электоронов). Для молекулы бензола q=6 (три двойных связи), следовательно, n=1:
Молекулярная орбиталь ароматических соединений является, не просто энергетической суммой атомных орбиталей, входящих в систему элементов, но обладает гораздо меньшей энергией, чем простая сумма входящих в нее элементов.
Гидрирование молекулы бензола, требует больших затрат энергии, чем восстановление трех изолированных двойных связей. Разница в энергиях: 36,6 ккал/моль – показывает энергию делокализации кратных связей в ароматной системе.
Для окисления бензола используют катализаторы ванадиевой группы (без катализатора не окисляется):
Ароматические соединения могут содержать в своем составе гетероатомы, а количество элементов в цикле, может меняться от 3-х до 20-и и более. В циклопропене один из атомов углерода sp 3 -гибриден. Для удовлетворения всем условиям ароматичности каждый элемент цикла должен находиться во втором валентном состоянии.
Как известно, карбокатионы sp 2 -гибридны:
Циклобутадиен неароматичен, так как не соблюдается правило Хюккеля:
Циклопентадиен по этой же причине неароматичен, так как по правилу Хюккеля необходимо еще два π-электрона:
В результате получен:
Подобный анион встречается в природе и может образовывать прочные комплексы с катионами металлов: железом, кобальтом, никелем, которые называются металлоценами :
· Для ароматических гетероциклов
Соединения ароматичны, так как неподеленная пара электронов гетероатомов входит в π-систему.
Азулен – природное соединение состоит из двух конденсированных ароматических циклов, циклопентадиенилий-аниона и циклогептатриенилий-катиона.
Ароматичность
Ароматичность - особое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении .
Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и является понятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклических молекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложен потому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом.
К ароматическим соединениям относят обширную группу молекул и ионов разнообразного строения, которые соответствуют .
Существуют несколько критериев, по которым молекула может быть отнесена к ароматическим.
Ароматическими являются молекулы, подчиняющиеся правилу Хюккеля : ароматической является плоская моноциклическая сопряженная система, содержащая (4n + 2)π-электронов (где n = 0,1,2…). Это правило выводится непосредственно из квантово-химических вычислений МОХ.
В современной физической органической химии выработано общая формулировка критерия ароматичности .
| Ненасыщенная циклическая или полициклическая диатропная молекула или ион может рассматриваться как ароматическая, если все атомы цикла входят в полностью сопряженную систему таким образом, что в основном состоянии все π-электроны располагаются только на связывающих молекулярных орбиталях аннулярной (замкнутой) оболочки. |
Ароматизация - образование ароматических соединений из соединений других типов.
В промышленности широко применяют процессы ароматизации продуктов переработки нефти для увеличения содержания в них ароматических углеводородов. Наибольшее значение имеет каталитический риформинг бензиновых фракций.
Процессы ароматизации протекают в условиях биохимического синтеза в растениях, животных, грибах и микроорганизмах. Одним из наиболее существенных метаболических путей, неотъемлемой частью которого выступают реакции ароматизации, является шикиматный путь .
| Химическая связь | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||
| Межмолекулярное взаимодействие |
| ||||||
1. Молекула имеет плоское циклическое строение.
2. Все атомы в цикле в состоянии sp2- гибридизации (следовательно s-скелет плоский и все sp-орбитали параллельны.
3. В молекуле существует делокализованная p-электронная система, содержащая 4n + 2 p-электрона, где n = 0,1,2, – натуральный ряд чисел. Это правило получило название правила Хюккеля
Ароматическим характером обладают и гетероциклические соединения. При замене в молекуле бензола –СН= на –N= образуется гетероциклическое соединение пиридин.
Мезомерный эффект. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Теория резонанса как качественный способ описания делокализации электронной плотности.
Мезомерный эффект или эф.сопряжение – это передача электронного влияния заместителей по сопряженной системе. В отличии от I (индуктивный)- эффекта, М (мезомерный) –эффект передается по спряж-ной системе без затухания. Замест. пониж-е электр. плотности в сопряж. системе (смещ-е ЭП в свою сторону) проявл. - М-эффект и явл. электроноакцептор. (заместители содерж. кратные связи атома углер. с более отриц. гетероатомами).
Замест. повыш-е электр. плотности в сопряж. системе (смещ-е ЭП от себя в сторону сопряж. системы) проявл. +М-эффект и явл. электронодонор. (заместители содерж. гетероатом. с не поделенной парой электр.)
М-эффект (гидроксо,амино, OR, галогены). - М-эффект (нитро, сульфо, карбоксильная, карбонильная).
Теория резонанса - теория электронного строения хим.соед., в соответствии с которой распределение электронов в молек., является комбинацией (резонансом) канонических структур с различной конфигурацией двухэлектронных ковалентных связей.
Резонансные структуры циклопентадиенид-иона
Конфигурация и конформация – важнейшие понятия стереохимии. Конфигурация. Элементы симметрии молекул (ось, плоскость, центр) и операции симметрии (вращение, отражение). Хиральные и ахиральные молекулы. Асимметрический атом углерода как центр хиральности.
Стериохимия – раздел химии, изуч.простр. строен. молекуы и его влиян. на физ-хим свойства, а так же на направл. и скорость их реакции. В ее основе лежат три фундаментальных понятия: хиральность, конфигурация и конформация.
Конфигурация – это пространств. располож.вход. в состав молекулы атомов или ат. групп без учета различий, возник.в след. вращения вокруг одинарных связей.
Ось симметрии . Если вращение молекулы вокруг какой-либо проходящей через нее оси на угол 2π/n = 360°/n приводит к структуре, не отличающейся от исходной, то такую ось называют осью симметрии n -го порядка С n .
Плоскость симметрии (зеркальная плоскость) представляет собой воображаемую плоскость, которая проходит через молекулу и делит ее на две зеркально-равные части.
При наличии центра симметрии все атомы молекулы, не лежащие в центре симметрии, расположены попарно на одной прямой, проходящей через центр, на одинаковом расстоянии от центра, как, например, в бензоле.
Конформации молекул – различные простр.формы молекул, возник.при изменении относительно ориентации отдельных ее частей в рез. внутр. вращения атомов или групп атомов вокруг ординарных связей, изгиба связей и др.
Если молекулы несовместимы со своим зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью , а сами молекулы – хиральными (означает, что два предмета относятся друг к другу как левая и правая руки (от греч. хирос – рука) и представляют собой зеркальные изображения, не совпадающие при попытке совместить их в пространств).
Асимметрический атом углерода - атом,связанный с четырьмя различными заместителями.
Молекулы с одним центром хиральности (энантиомерия). Глицериновый альдегид как конфигурационный стандарт. Проекционные формулы Фишера. Относительная и абсолютная конфигурация. D-, L- и R-, S -системы стереохимической номенклатуры. Рацематы.
Энaнтиомeры – это стереоизомеры, хиральные молекулы которых отн-ся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение (представляют собой два оптич. антипода и поэтому называются также оптическими изомерами).
Глицериновый альдегид содержит хиральный центр, сущ.в виде 2-х стереоизомеров, облад. различ. опт.активностью.
Проекционные формулы, предложенные Э. Фишером : 1) углер.скелет распол. вертикально;2)вверху располагают наиб. старшую функц. группу; 3)тетраэдр ориентируют так, чтобы хиральный центр расп-ся в плоскости, заместители, распол-ся справа и слева от углеродной цепи, были направлены вперед от плоскости проекции; по вертикали располагают заместители, уходящие от наблюдателя за плоскость проекции; Асимметр.атом углерода переносится на плоскость в точку пересечения гориз.и вертик.линий. Относительная конфигурация - это взаимное расположение заместителей при разных асимметр. атомах по отношению друг к другу; обычно ее обозначают приставками (цис- и транс-, трео- и эритро- др.). Абсолютная конфигурация - это истинное расположение в пространстве заместителей при каждом асимметрическом атоме молекулы; чаще всего ее обозначают буквами D или L.
R,S-номенклатура .1) Опред-е старшинства заместителей при хиральном центре:а) порядок старшинства сначала уст-ся для атомов, непоср. связ. с центром: «чем больше атомный номер, тем старше заместитель».б) если ближ. атомы одинак., то процедуру следует проводить для атома следующей сферы.2) Расположив самый младший заместитель от наблюдателя, определяют направление падения старшинства оставшихся трех заместителей. Если оно происходит по часовой стрелке – это R-изомер, против – S–изомер. D,L-номенклатура (Связана с проекцией Фишера). Если функц-ая группа при хиральном центре нах-ся справа, то это D-изомер, слева – L-изомер.Энантиомеры отличаются способностью вращать плоскополяризованный свет: справа (+) D, слева (-) L.
7.Возникновение конформаций в результате вращения вокруг σ-связей. Факторы, затрудняющие вращение. Проекционные формулы Ньюмена. Виды напряжений. Энергетическая характеристика конформаций открытых цепей. Связь пространственного строения с биологической активностью
1. Конформации (поворотная изомерия) . Не меняя ни валентных углов, ни длин связей, можно представить себе множество геометрических форм молекулы этана, отличающихся друг от друга взаимным поворотом углеродных тетраэдров вокруг соединяющей их связи С-С. В результате такого вращения возникают поворотные изомеры (конформеры) .
В проекции Ньюмена молекулу рассматривают вдоль связи С-С). Три линии, расходящиеся под углом 120 о из центра круга, обозначают связи ближайшего к наблюдателю углеродного атома; линии, "высовывающиеся" из-за круга - связи удаленного углеродного атома.
Изображенную слева конформацию называют заслоненной . Это название напоминает о том, что атомы водорода обеих СН 3 -групп находятся друг против друга. Заслоненная конформация имеет повышенную внутреннюю энергию, и поэтому невыгодна. Конформацию, изображенную справа, называют заторможенной , подразумевая, что свободное вращение вокруг связи С-С "тормозится" в этом положении, т.е. молекула существует преимущественно в этой конформации.
Минимум энергии, необходимый для полного вращения молекулы вокруг определенной связи называется барьером вращения для данной связи. Барьер вращения в молекуле, подобной этану, может быть выражен через изменение потенциальной энергии молекулы как функции изменения двугранного (торсионного) угла системы. Двугранный угол (обозначаемый ) изображен на рисунке, приведенном ниже:
С усложнением молекулы число возможных конформаций возрастает. Ниже конформации н-бутана изображены в виде проекций Ньюмена. Изображенные слева (заслоненные) конформации энергетически невыгодны, практически реализуются лишь заторможенные.
Циклоалканы. Номенклатура. Малые циклы. Электронное строение циклопропана. Особенности химических свойств малых циклов (реакции присоединения). Обычные циклы. Реакции замещения. Виды напряжений. Энергетическое различие конформаций циклогексана (кресло, ванна, полукресло). Аксиальные и экваториальные связи. Получение. Свойства
Физические свойства. При обычных условиях первые два члена ряда (С 3 - С 4) - газы, (С 5 - С 16) - жидкости, начиная с C 17 - твердые вещества..Получение. 1. Основной способ получения циклоалканов - отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:
2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные: t°,P,Ni C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12 .
Химические свойства . По химическим свойствам малые и обычные циклы существенно различаются между собою. Циклопропан и циклобутан склонны к реакциям присоединения, т.е. сходны в этом отношении с алкенами. Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению близки к алканам, так как вступают в реакции замещения.1. Так, например, циклопропан и циклобутан способны присоединять бром (хотя реакция и идет труднее, чем с пропеном или бутеном):
2. Циклопропан, циклобутан и даже циклопентан могут присоединять водород, давая соответствующие нормальные алканы.
Присоединение происходит при нагревании в присутствии никелевого катализатора:
3. В реакцию присоединения с галогеноводородами опять же вступают только малые циклы. Присоединение к гомологам циклопропана происходит по правилу Марковникова:
4. Реакции замещения. Обычные циклы (С 6 и выше) устойчивы и вступают только в реакции радикального замещения подобно алканам:t°С 6 Н 12 + Вr 2 → С 6 Н 11 Вr + НВr.
5. Дегидрирование циклогексана в присутствии никелевого катализатора приводит к образованию бензола:t° Ni
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 .6. При действии сильных окислителей (например, 50%-ной азотной кислоты) на циклогексан в присутствии катализатора образуется адипиновая (гександиовая) кислота:
Особенности строения циклоалканов и их химическое поведение. циклопропан имеет плоское строение, поэтому атомы водорода у соседних атомов углерода располагаются над и под плоскостью цикла в энергетически невыгодном ("заслоненном") положении. Это - одна из причин "напряженности" цикла и его неустойчивости.
Конформации шестичленного цикла: а - кресло: 6 - ванна.Другое возможное для циклогексана расположение атомов соответствует конформации ванны, хотя оно менее устойчиво, чем конформация кресла. Следует отметить, что и в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каждого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение. Отсюда - несравнимо большая устойчивость обычных циклов по сравнению с малыми циклами, отсюда - их возможность вступать в реакции замещения, но не присоединения.Циклоалканы - это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда: циклопропан циклобутан. Общая формула CnH2n. Строение. Изомерия и номенклатура.Циклоалканы - это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда:
Алкены. Номенклатура. Изомерия. Способы получения. Реакции электрофильного присоединения, механизм. Присоединение галогенов, гидрогалогенирование, гидратация и роль кислотного катализа. Правило Марковникова. Представление о реакциях радикального присоединения. Окисление алкенов (озонирование, эпоксидирование).
Алкены- это не циклические УВ, в молекулах которых 2 атома углерода находятся в состоянии sp 2 –гибридизации и связаны друг с другом двойной связью.
Первым представителем гомологического ряда алкенов является этен (этилен) – С 2 Н 4 .. Гомологический ряд алкенов имеет общую формулу С n Н 2n . Характерной особенностью строения алкенов является наличие в молекуле двойной связи >C=C<. Двойная связь образуется при помощи двух пар обобщенных электронов. Углеродные атомы, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, каждый из них образует три σ-связи, лежащие в одной плоскости под углом 120º.
Для алкенов характерна структурная изомерия: различия в разветвлении цепи и в положении двойной связи, а также пространственная изомерия (цис- и трансизомеры).. По международной номенклатуре алкены называют путем нумерации наиболее длинной цепи начиная с конца, к которому ближе двойная связь. По рациональной номенклатуре они считаются производными этилена, где один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Например назовем вещество по международной (ИЮПАК) номенклатурам: СН 3 – С(CH 3)= СН 2 Изобутилен, несимм.-диметилэтилен,2-метил-пропен.
Ароматичность - понятие, характеризующее совокупность особых структурных, энергетических и магнитных свойств, а также особенностей реакционной способности циклических структур с системой сопряженных связей.
Хотя ароматичность - одна из важнейших и наиболее плодотворных концепций химии (не только органической), - не существует общепринятого краткого определения этого понятия. Ароматичность понимается через совокупность особых признаков (критериев), присущих ряду циклических сопряженных молекул в той или иной мере. Часть этих критериев имеет экспериментальную, наблюдаемую природу, но другая часть основывается на квантовой теории строения молекул. Ароматичность имеет квантовую природу.
Невозможно объяснить ароматичность с позиций классической структурной теории и теории резонанса.
Не следует путать ароматичность с делокализацией и сопряжением.
В молекулах полиенов (1,3-бутадиена, 1,3,5-гексатриена и т.п.) проявляется явно выраженная тенденция к делокализации электронов и образованию единой сопряженной электронной структуры, что проявляется в спектрах (в первую очередь, электронных спектрах поглощения), некотором изменении длин и порядков связей, энергетической стабилизации, особых химических свойствах (электрофильное 1,4-присоединение в случае диенов и пр.). Делокализация и сопряжение - необходимые, но не достаточные условия ароматичности. Можно дать определение ароматичности как свойства, при котором сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет бόльшую стабильность, чем ту, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении. Однако этим определением нельзя пользоваться, не имея экспериментальных или расчётных данных по стабильности циклической сопряжённой молекулы.
Для того чтобы молекула могла быть ароматической, она должна содержать хотя бы один цикл, каждый из атомов которого располагает пригодной для образования ароматической системы р-орбиталью. Ароматическим в полном смысле этого слова считается (в случае выполнения критериев, перечисленных ниже) именно этот цикл (кольцо, система колец).
В этом цикле должно быть 4n+2
(то есть 2, 6, 10, 14, 18, 22 и т.п.) p-электронов
.
Это правило называется правилом или критерием ароматичности Хюккеля
. Источник этого правила - сильно упрощенные квантовохимические расчеты идеализированных циклических полиенов, произведенные на заре развития квантовой химии. Дальнейшие исследования показали, что в основе своей это простое правило дает верные предсказания ароматичности даже и для очень сложных реальных систем.
Правилом, тем не менее, нужно правильно пользоваться, иначе прогноз может быть неверен.
Какие орбитали считаются пригодными для образования ароматической системы? - Любые орбитали, перпендикулярные плоскости цикла, и
а) принадлежащие входящим в цикл кратным (эндоциклическим двойным или тройным) связям;
б) соответствующие неподеленным парам электронов у гетероатомов (азота, кислорода, и т.п.) или карбанионов;
в) соответствующие шестиэлектронным (секстетным) центрам, в частности карбокатионам.
Энергетический
(повышение термодинамической устойчивости за счет делокализации электронов, так называемая энергия делокализации - ЭД).
Можно представить бензол производным трёх молекул этилена и сравнить энергии исходных фрагментов и конечной молекулы. У каждой молекулы этилена по 2 p-электрона (всего 6) на молекулярных орбиталях (МО) одинаковой энергии (α+β), а у бензола 6 электронов располагаются на трёх связывающих молекулярных орбиталях, давая в сумме более отрицательное значение энергии системы (α и β меньше 0).
Очевидное энергетическое преимущество составляет 2β = 36 ккал/моль или 1,56 эВ - это ЭЭР (эмпирическая энергия резонанса).
Энергетический критерий из всех самый неудобный и неясный. Величины энергий для этого критерия берут всегда расчетные, потому что, как правило, невозможно подобрать соответствующую неароматическую молекулу для сравнения. Следует, поэтому, спокойно относиться к тому, что существует множество различных оценок энергии делокализации даже для классических ароматических молекул, а для более сложных систем эти величины вообще отсутствуют. Никогда нельзя сравнивать разные ароматические системы по величине энергий делокализации - нельзя сделать вывод, что молекула А ароматичнее молекулы В, потому что энергия делокализации больше.
Структурный
- очень важный, если не самый важный, критерий, так как имеет не теоретическую, а экспериментальную природу. Специфика геометрии молекул ароматических соединений заключается в тенденции к копланарному расположению атомов и выравниванию длин связей. У бензола выравнивание длин связей идеально - все шесть С-С связей одинаковы по длине. У более сложных молекул выравнивание не идеально, но значительно. В качестве критерия берут меру относительного отклонения длин сопряженных связей от среднего значения. Чем ближе к нулю, тем лучше. Эту величину можно проанализировать всегда, если имеется структурная информация (экспериментальная или из высококачественного квантовохимического расчета). Тенденция к копланарности обуславливается выгодностью параллельного расположения осей атомных р-орбиталей для их эффективного перекрывания.
Магнитный
(наличие кольцевого тока - диатропная система, влияние на химические сдвиги протонов снаружи и внутри кольца, примеры - бензол и -аннулен). Самый удобный и доступный критерий, так как для его оценки достаточно спектра 1H ЯМР. Для точного определения используют теоретические расчеты химических сдвигов.
Химический
- склонность к реакциям замещения, а не присоединения. Самый наглядный критерий, ясно различающий химию ароматических соединений от химии полиенов. Но работает он далеко не всегда. В ионных системах (например, в циклопентадиенил-анионе или тропилий-катионе) замещение наблюдать невозможно. Реакции замещения иногда проходят и на неароматических системах, а ароматические всегда в какой-то степени способны к реакциям присоединения. Поэтому химический критерий более правильно назвать признаком ароматичности.
Общая формула:
E j (энергия орбитали j уровня) = α + m j β
α - кулоновский интеграл, энергия С2р орбитали,
β - резонансный интеграл, энергия взаимодействия 2-х атомных орбиталей на соседних атомах
m j = 2сos(2jπ/N), где N- число атомов углерода в цикле.
Наиболее простым и наглядным графическим изображением энергии являтся круг Фроста . Для его построения необходимо вписать в окружность ароматическую молекулу, направив вершиной вниз, тогда точки соприкосновения многоугольника и окружности будут соответствовать энергетическим уровням МО. По вертикали наносится энергетическая шкала, все уровни ниже горизонтального диаметра - связывающие, выше - разрыхляющие. Электроны заполняют от самой нижней орбитали согласно правилу Паули.
Наиболее выгодным будет такое состояние, когда полностью заполнены все связывающие орбитали.
Позднее появилось ещё множество предположений о структуре бензола:
Однако даже до сих пор молекула C 6 H 6 продолжает преподносить сюрпризы. Бодриков И.В.: «Я вынужден констатировать, что сейчас в мире нет человека, кто бы знал, что такое бензол» (2009)
(один из водородов перемещается в положение, перпендикулярное кольцу)
АРОМАТИЧНОСТЬ (от греч. aroma, род. падеж aromatos - благовоние), понятие, характеризующее совокупность структурных, энергетич. св-в и особенностей реакц. способности циклич. структур с системой сопряженных связей. Термин введен Ф. А. Кекуле (1865) для описания св-в соединений, структурно близких к бензолу - родоначальнику класса ароматических соединении .
К числу наиб. важных признаков ароматичности принадлежит склонность ароматич. соед. к замещению, сохраняющему систему сопряженных связей в цикле, а не к присоединению, разрушающему эту систему. Кроме бензола и его производных, такие р-ции характерны для полицикли ч. ароматич. углеводородов (напр., нафталина , антрацена , фенантрена и их производных), а также для изоэлектронных им сопряженных гетероциклич. соединений. Известно, однако, немало соед. (азулен , фульвен и др.), к-рые также легко вступают в р-ции замещения, но не обладают всеми др. признаками ароматичности.
Реакц. способность не может служить точной характеристикой ароматичности еще и потому, что она отражает св-ва не только осн. состояния данного соединения, но и переходного состояния (активиров. комплекса) р-ции, в к-рую это соед. вступает. Поэтому более строгие критерии ароматичности связаны с анализом физ. св-в осн. электронных состояний циклич. сопряженных структур. Главная трудность состоит в том, что ароматичность не является экспериментально определяемой характеристикой. Поэтому не существует однозначного критерия для установления степени ароматичности, т.е. степени подобия св-вам бензола . Ниже рассмотрены наиб. важные признаки ароматичности.
Строение электронной оболочки ароматических систем.
Тенденция бензола и его производных к сохранению структуры сопряженного кольца в разл. превращениях означает повыш. термодинамич. и кинетич. устойчивость этого структурного фрагмента. Стабилизация (понижение электронной энергии) молекулы или иона , обладающих циклич. структурой, достигается при полном заполнении электронами всех связывающих молекулярныхорбиталей и вакантности несвязывающих и антисвязывающих орбиталей . Выполнение этих условий достигается, когда общее числоэлектронов в циклич. полиене равно (4л + 2), где п = = 0,1,2... (правило Хюккеля).
Это правило объясняет устойчивость бензола (ф-ла I) и циклопентадиенильного
аниона (II; п = 1). Оно позволило правильно предсказать устойчивость
циклопропенильного (III; п = 0) и циклогептатриенильного (IV; п
= 1) катионов . Ввиду подобияэлектронных
оболочек соед. II-IV и бензола они, как и высшие циклич. полиены - ,
, аннулены (V-VII), рассматриваются как ароматич. системы.
Правило Хюккеля можно экстраполировать на ряд сопряженных гетероциклич.
соед. - производные пиридина (VIII) и катиона пирилия (IX), изоэлектронные
бензолу , пятичленные гетероциклы типа X (пиррол , фуран , тиофен), изоэлектронные
циклопентадиенильному аниону . Эти соединения также относят к ароматич.
системам.
Для производных соединений II-Х и др. более сложных структур, получаемых изоэлектронным замещением метиновых групп в полиенах I-VII, также характерны высокая термодинамич. устойчивость и общая склонность к р-циям замещения в ядре.
Циклич. сопряженные полиены , имеющие в цикле 4nэлектронов (n=1,2...), неустойчивы и легко вступают в р-ции присоединения, т. к. обладают незамкнутой электронной оболочкой с частично заполненными несвязывающими орбиталями . Такие соединения, наиб. типичным примером к-рых служит циклобутадиен (XI), относят кантиароматич. системам.
Правила, учитывающие числоэлектронов в цикле, полезны для характеристики св-в моноциклич. структур, однако неприложимы к полициклам. При оценке ароматичности последних необходимо учитывать, как соответствуют этим правилам электронные оболочки каждого отдельного цикла молекулы . С осторожностью следует пользоваться ими и в случае многозаряженных циклич. ионов . Так, электронные оболочки дикатиона и дианиона циклобутадиена отвечают требованиям правила Хюккеля. Однако эти структуры нельзя относить к ароматическим, т. к. дикатион (п = 0) устойчив не в плоской форме, обеспечивающей циклич. сопряжение, а в согнутой по диагонали; дианион (n=1) вообще неустойчив.
Энергетические критерии ароматичности. Энергия резонанса. Для определения количеств. меры ароматичности, характеризующей повыш. термодинамич. устойчивость ароматич. соед., было сформулировано понятие энергии резонанса (ЭР), или энергии делокализации.
Теплота гидрирования молекулы бензола , формально содержащей три двойные связи , на 151 кДж/моль больше, чем теплота гидрирования трех молекул этилена . Эту величину, связываемую с ЭР, можно рассматривать как энергию, дополнительно затрачиваемую на разрушение циклич. системы сопряженных двойных связей бензольного кольца, стабилизирующей эту структуру. Т. обр., ЭР характеризует вклад циклич. сопряжения в теплоту образования (полную энергию, теплоту атомизации) соединения.
Предложен ряд способов теоретич. оценок ЭР. Они различаются гл. обр.
выбором структуры сравнения (т.е. структуры, в к-рой нарушено циклич. сопряжение)
с циклич. формой. Обычный подход к вычислению ЭР состоит в сопоставленииэлектронных
энергийциклич.
структуры и суммы энергий всех изолированных кратных связей , содержащихся
в ней. Однако рассчитываемые т. обр. ЭР, независимо от используемого квантовохим.
метода, имеют тенденцию к возрастанию с увеличением размеровсистемы.
Это нередко противоречит эксперим. данным о св-вах ароматич. системы. Так,
ароматичность в ряду полиаценовбензол (I), нафталин (XII), антрацен (XIII), тетрацен
(XIV) понижается (напр., возрастает склонность к присоединению, увеличивается
альтернирование длин связей), а ЭР (приведены в единицах=
75 кДж/моль) растут:
Этого недостатка лишены величины ЭР, рассчитываемые путем сравненияэлектронных энергий циклич. структуры и аналогичного ациклич. сопряженного полнена (М. Дьюар, 1969). Рассчитанные т. обр. величины принято называть ЭР Дьюара (ЭРД). Напр., ЭРД бензола (1,013) вычисляется при сопоставлении его с 1,3,5-гексатриена, а ЭРД циклобутадиена-сопоставлением его= = с 1,3-бутадиена.
Соединения с положит. значениями ЭРД относят к ароматическим, с отрицательными-к
антиароматическим, а со значениями ЭРД, близкими к нулю, - к неароматическим.
Хотя значения ЭРД варьируют в зависимости от приближений квантовохим. метода
расчета, относит. порядок их практически не зависит от выбора метода. Ниже
приведены ЭРД в расчете на одинэлектрон
(ЭРД/е; в единицах),
вычисленные по модифициров. методу молекулярных орбиталей Хюккеля:
Наиб. ЭРД/е, то есть наиб. ароматичностью, обладает бензол . Понижение ЭРД/е отражает понижение ароматич. св-в. Приведенные данные хорошо согласуются со сложившимися представлениями о проявлениях ароматичности.
Магнитные критерии ароматичности. Циклич. сопряжениеэлектронов приводит к возникновению в молекуле кольцевого тока, к-рый вызывает экзальтацию диамагн. восприимчивости. Поскольку величины кольцевого тока и экзальтации отражают эффективность циклич. сопряжения, они м. б. использованы как количеств. мера ароматичности.
К ароматическим относятся соед., в молекулах к-рых поддерживаются наведенные диамагнитныеэлектронные кольцевые токи (диатропные системы). В случае аннуленов (n = 0,1,2...) существует прямая пропорциональность между силой кольцевого тока и величиной ЭРД. Однако для неальтернантных углеводородов (напр., азулена) и гетероциклич. соед. эта зависимость усложняется. В ряде случаев система м.б. одновременно и диатропной и антиароматической, напр. бициклодекапентаен.
Наличие индуциров. кольцевого тока в циклич. сопряженных системах характерно проявляется в спектрах протонного магн. резонанса (ПМР), т.к. ток создает анизотропное магн. поле, заметно влияющее на хим. сдвиги протонов , связанных с атомами кольца. Сигналы протонов , расположенных во внутр. части ароматич. кольца, смещаются в сторону сильного поля, а сигналы протонов , расположенных на периферии кольца, - в сторону слабого поля. Так, внутр. протоны аннулена (ф-ла VI) и аннулена (VII) проявляются при - 60°С в спектре ПМР соотв. при 0,0 и -2,99м. д., а внешние-при 7,6 и 9,28 м. д.
Для антиароматич. систем аннуленов, наоборот, характерны парамагн. кольцевые токи, приводящие к сдвигу внеш. протонов в сильное поле (паратропные системы). Так, хим. сдвиг внеш. протонов аннулена равен всего 4,8 м.д.
Структурные критерии ароматичности. Важнейшие структурные характеристики молекулы бензола - ее планарность и полная выравненность связей. Молекулу можно рассматривать как ароматическую, если длины углерод-углеродных связей в ней лежат в пределах 0,136-0,143 нм, т.е. близко к 0,1397 нм для молекулы бензола (I). Для нециклич. сопряженных полиеновых структур длины связей С-С составляют 0,144-0,148 нм, а связей С=С-0,134-0,135 нм. Еще большее альтернирование длин связей характерно для антиароматич. структур. Это подтверждается данными строгих неэмпирич. расчетов геометрич. параметров циклобутадиена и эксперим. данными для его производных.
Предложены разл. выражения для количеств. характеристики ароматичности по степени
альтернирования длин связей, напр. для углеводородов вводится индекс ароматичности
(НОМА d):
где а = 98,89, Х r - длина r-ной связи (в А), n-число связей. Для бензола HOMA d максимален и равен 1, для циклобутадиена минимален (0,863).
