Как определить ароматичность соединения. Ароматичность, критерии ароматичности.Правило Хюккеля

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).

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 критериям ароматичности .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Ароматические соединения и правило Хюккеля

Мезомерный эффект (эффект сопряжения). Часть 1.

Ароматичность. Критерии ароматичности органических соединений.

Ароматические гетероциклы. Ч.1

Правило ароматичности Хюккеля

Субтитры

Я уже говорил о явлении ароматичности, а этот ролик целиком посвящу этой теме. Итак, ароматические вещества. Прежде всего: почему эти вещества называются ароматическими? Очевидно, что от слова «аромат». Вы можете решить, что все ароматические соединения обладают сильным запахом, однако многие из них совсем не пахнут. Тогда почему? Возможно, это из-за того, что они как-то связаны с веществами, имеющими сильный запах, вот их и назвали ароматическими. Это остается тайной. Большинство известных ароматических соединений, 99% таких веществ, представляют собой либо бензол, либо производные бензола. Давайте нарисуем бензол. Обычно молекулу бензола рисуют так. Цикл из 6 атомов с тремя двойными связями. Вот эти три двойные связи. В ролике про резонанс я говорил, что эта структурная формула не единственная. Возможен и другой вариант. Этот электрон может смещаться сюда, этот электрон - сюда, а этот электрон - сюда. Давайте нарисуем, что получится в итоге. Получается вот такая структурная формула. Возможна такая конфигурация молекулы бензола, где двойные связи расположены иначе, чем на первой формуле. Вот такие две формулы. Из ролика про резонанс вы знаете, что на самом деле все немного сложнее. Обе формулы верны. Бензол существует сразу в двух конфигурациях, а не переходит из одной в другую. Это отображается так: цикл из шести атомов углерода с кругом в середине. Так химики часто изображают бензольное кольцо. Это означает, что все π-электроны, которые образуют двойные связи в молекуле, распределены между атомами, размазаны по всему кольцу. Именно делокализация π-электронов в цикле наделяет ароматические вещества их уникальными свойствами. Эта конфигурация намного стабильнее, чем просто статичное чередование одинарных и двойных связей в кольце. Есть еще один способ нарисовать бензол. Я сменю цвет и покажу его желтым. Делокализованность π-электронов показывают следующим образом: пунктирная линия здесь, здесь, здесь, здесь, здесь и здесь. Это самый популярный вариант отображения делокализации электронов в бензольном кольце, то есть наличия сопряженной системы π-электронов. Я расскажу вам, что это такое. Эти две формулы также используются, но истинная структура бензола лежит между этими конфигурациями. Нужно показать вам, что там происходит. Наверняка вы слышали о сопряженных системах π-электронов. Думаю, будет совсем не лишним показать молекулу бензола в трех измерениях. Итак, смотрите. Вот цикл из шести атомов углерода: углерод, углерод, углерод, углерод, углерод, углерод. Каждый из атомов углерода связан еще с тремя атомами, двумя атомами углерода и атомом водорода. Я нарисую водород и его связь с углеродом. Вот атом водорода, вот атом водорода, водород, водород, и еще два атома водорода. У каждого атома углерода есть три гибридные орбитали, это sp2-гибридизация. Кроме того, у каждого из них осталась свободная p-орбиталь. Эта p-орбиталь не образует сигма-связей с соседними атомами. А еще есть p-орбитали, которые похожи на гантели. Вот p-орбиталь, вот p-орбиталь, вот, вот и еще две p-орбитали. На самом деле орбиталей больше, но тогда они бы закрывали рисунок. Не забывайте, что в молекуле бензола есть двойные связи. Я выделю цветом один из атомов углерода. Вот эта сигма-связь соответствует, допустим, этой сигма-связи. Для удобства покажу другую связь. Допустим, эта сигма-связь соответствует этой связи между двумя атомами углерода. Двойная связь, которую я покажу лиловым цветом, образована за счет бокового перекрытия p-орбиталей. p-орбитали соседних атомов углерода перекрываются. Орбиталь - это область, где может оказаться электрон с определенной вероятностью. Эти области большие, они перекрываются и электроны образуют дополнительную π-связь. Что же происходит в сопряженной системе π-электронов. Я запишу это, чтобы вы не забыли. Сопряженная система π-электронов. На этом месте может быть связь, если орбитали перекрываются. Вот так я покажу перекрытие орбиталей. При переходе в другую конфигурацию орбитали станут перекрываться здесь. На самом деле все эти π-электроны скачут по всему кольцу. Электроны путешествуют по всем этим p-орбиталям. Они могут быть в любом месте цикла. Именно это имеют в виду, когда говорят об ароматических свойствах веществ. Из-за этого вещества приобретают особую устойчивость. Большинство ароматических веществ представляют собой именно такие циклы, бензол и его производные. Но есть и другие вещества. Любое вещество, у которого в цикле есть 4n + 2 π-электронов, где n-целое число, обладает ароматичностью, то есть представляет собой ароматическое соединение. Давайте подсчитаем электроны. У каждого атома углерода из шести один π-электрон. У каждого атома углерода одна p-орбиталь, и каждую такую орбиталь занимает один электрон. Итого их 1, 2, 3, 4, 5, 6. Можно по-другому: каждая двойная связь это 2 π-электрона. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Это называется соответствием правилу Хюккеля. Думаю, это немецкая фамилия. Правило Хюккеля. Бензол ему соответствует. При n, равном единице, 4 * 1 + 2 = 6. Правило выполняется. При n, равном двум, π-электронов должно быть 10. С десятью π-электронами правило выполняется. Это будет молекула вот такого вида, и она соответствует правилу Хюккеля. Здесь будет 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 атомов углерода в цикле. Здесь 5 двойных связей: 1, 2, 3, 4, 5. Вот так, чтобы связи чередовались. Это тоже ароматическое соединение. У него 10 π-электронов, по одному у каждого атома углерода, ну или по два в каждой двойной связи. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. А теперь то, что меня удивляет. Правилу соответствуют 6 и 10, но не 8. Что же не так с восемью электронами? Почему это число не подходит? А если π-электронов четыре? Допустим, молекула выглядит так, как четырехугольник. Или как дорожный знак - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и чередующиеся двойные связи. Будут ли эти вещества также ароматическими соединениями? В них тоже чередуются связи, значит электроны могут смещаться с места на место и делокализовываться в цикле. Смещаться отсюда вот сюда, отсюда сюда. Отсюда сюда, отсюда сюда. Но оказывается, что в подобных веществах π-электроны совсем не стабилизируют систему, и цикл оказывается менее стабилен, чем линейная молекула. И эти молекулы не соответствуют правилу Хюккеля. 4n + 2 - это 6, 10, 14 π-электронов, то есть 14, 10 или 6 атомов углерода. Если число атомов другое, но это цикл с чередованием связей, вещество является антиароматическим. Запишем этот термин. Они очень нестабильны. Они очень нестабильны и размыкаются, становясь линейными молекулами. Надеюсь, вам было интересно. Subtitles by the Amara.org community

История

В 1959 году Сол Винстайн ввёл понятие «гомоароматичность» - термин, применяемый для описания систем, в которых стабилизованная циклическая сопряженная система образуется в обход одного насыщенного атома .

Объяснение ароматичности

Критерии ароматичности

Единой характеристики, позволяющей надежно классифицировать соединение как ароматическое или неароматическое не существует. Основными характеристиками ароматических соединений являются:

склонность к реакциям замещения, а не присоединения (определяется легче всего, исторически первый признак, пример - бензол, в отличие от этилена не обесцвечивает бромную воду)
выигрыш по энергии, в сравнении с системой несопряженных двойных связей. Также называется Энергией резонанса (усовершенствованный метод - Энергией резонанса Дьюара) (выигрыш настолько велик, что молекула претерпевает значительные преобразования для достижения ароматичного состояния, например циклогексадиен легко дегидрируется до бензола, двух и трехатомные фенолы существуют преимущественно в форме фенолов (енолов), а не кетонов и т. д.)
наличие кольцевого магнитного тока (наблюдение требует сложной аппаратуры), этот ток обеспечивает смещение хим-сдвигов протонов, связанных с ароматическим кольцом в слабое поле (7-8 м.д. для бензольного кольца), а протонов расположенных над/под плоскостью ароматической системы - в сильное поле (спектр ЯМР).
наличие самой плоскости (минимально искаженной), в которой лежат все (либо не все - гомоароматичность) атомы образующие ароматическую систему. При этом кольца пи-электронов, образующиеся при сопряжении двойных связей (либо электронов входящих в кольцо гетероатомов) лежат над и под плоскостью ароматической системы.
практически всегда соблюдается Правило Хюккеля : ароматичной может быть лишь система, содержащая (в кольце) 4n+2 электронов (где n = 0, 1, 2, …). Система, содержащая 4n электронов является антиароматичной (в упрощенном понимании это обозначает избыток энергии в молекуле, неравенство длин связей, низкая стабильность - склонность к реакциям присоединения). В то же время, в случае пери-сочленения (есть атом(ы), принадлежащий(е) одновременно 3 циклам, то есть возле него нет атомов водорода или заместителей), общее число пи-электронов не соответствует правилу Хюккеля (фенален, пирен, коронен). Также предсказывается, что если удастся синтезировать молекулы в форме ленты Мёбиуса (кольцо достаточно большого размера, дабы закручивание в каждой паре атомных орбиталей было мало), то для таких молекул система из 4n электронов будет ароматичной, а из 4n+2 электронов - антиароматичной.

Современные представления

В современной физической органической химии выработана общая формулировка критерия ароматичности

Понятия «ароматичность» и «антиароматичность» в химии не имеют отношения к наличию запаха у вещества. Ароматические соединения - это вещества, в которых замкнутая сопряженная система из π-электронов, образующаяся в результате перекрывания р-электронных облаков соседних атомов, придает молекуле аномально высокую стабильность. Самое, пожалуй, известное ароматическое соединение - бензол С 6 Н 6 , гораздо более инертный по сравнению с соединениями, в которых на углерод приходится большее число атомов водорода - С 6 Н 8 , С 6 Н 10 , С 6 Н 12 и С 6 Н 14 . В антиароматических соединениях замкнутая сопряженная система из π-электронов, напротив, делает антиароматическую молекулу крайне неустойчивой, а в ряде случаев антиароматические соединения с желаемой формулой вообще невозможно получить.

На основании свойств бензола и представлениях о том, что углерод образует четыре химические связи, а также о том, что атомы углерода способны связываться друг с другом двойными и тройными связями, было предложено несколько ошибочных вариантов структурных формул для бензола. Уже в ХХ веке все соединения, соответствующие этим формулам, были синтезированы. Было установлено, что их физические и химические свойства отличаются от свойств бензола. Также было обнаружено, что призман (бензол Ладенбурга) и бензол Дьюара самопроизвольно превращаются в бензол при комнатной температуре.

Правильную - циклическую - формулу этого соединения удалось установить Фридриху Августу Кекуле , который, судя по его воспоминаниям, пришел к этой идее во сне: ему приснилась змея, кусающая себя за хвост, и он решил, что бензол должен представлять собой шестичленный цикл из атомов углерода с чередующимися двойными и одинарными связями.

Правда, в соответствии с формулой Кекуле - и он сам так предполагал, - должно было бы существовать два изомера 1,2-дихлорбензола - в одном атомы хлора должны были быть разделены двойной связью, в другом - одинарной. Поскольку, как оказалось позже, в бензоле нет чередующихся двойных и одинарных связей, все атомы углерода эквивалентны, а π-электроны образуют единую замкнутую систему, такие изомеры и не могут существовать. Естественно, что их так и не удалось обнаружить, а сам Кекуле предполагал, что неудачи обнаружения этих изомеров связаны с очень быстрым превращению их друг в друга.

Именно Кекуле и ввел понятие «ароматичность», которое предложил рассматривать, как особую характеристику бензола и родственных по структуре соединений - их устойчивость и склонность участвовать в реакциях замещения, а не присоединения. Такое химическое поведение нельзя было объяснить формулой Кекуле, предполагавшей наличие в бензольном цикле трех двойных связей - в других соединениях, не относившихся к ароматическому ряду, кратные связи активно вступали в реакции присоединения.

В чем состоит причина такого поведения ароматических соединений удалось объяснить в 1931 году Эриху Хюккелю , который, использовав для изучения бензола упрощенный метод квантовой механики - метод молекулярных орбиталей , показал, что в молекуле бензола нет двойных и одинарных связей углерод–углерод, а р -электроны атомов углерода образуют единое кольцевое электронное облако, которому Хюккель дал название «ароматическая система». Он же разработал и фигурирующие в условии задачи правила, позволяющие относить молекулы к ароматическим или антиароматическим. Два правила Хюккеля одинаковы и для ароматических и для антиароматических соединений: плоское строение молекулы и замкнутая сопряженная система нужны для образования кольцевого электронного облака, а разное количество электронов в таком облаке может стабилизировать или дестабилизировать молекулу.

Хотя ароматичность - одна из важнейших концепций химии, пока нет общепринятого краткого определения этого понятия. Ароматичность понимается как совокупный набор особых признаков, в той или иной мере присущих ряду циклических сопряженных молекул. Часть этих признаков можно наблюдать экспериментально, но другие признаки можно описать, только основываясь на квантовой теории строения молекул (сюда как раз относится правило Хюккеля о числе электронов в замкнутой системе). Невозможно объяснить ароматичность с позиций только классической структурной теории химии.

Экспериментально наблюдать можно следующие проявления ароматичности:
1) Химическое - склонность ароматической молекулы к реакциям замещения , а не присоединения .
2) Структурный - тенденция к плоскому расположению атомов и выравниванию длин связей . У бензола выравнивание длин связей идеально - все шесть связей углерод-углерод одинаковы. У более сложных молекул выравнивание длин связей не идеально, но значительно.
3) Магнитный - замкнутая электронная система ароматических соединений оказывает влияние на параметры спектров ядерного магнитного резонанса ароматических соединений. В ароматических соединениях при приложении к ним внешнего магнитного поля возникает кольцевой ток, который способствует возникновению внутри молекул локального магнитного поля, направленного противоположно внешнему. В результате взаимодействия внутреннего и внешних магнитных полей экранирование атомов водорода и атомов углерода ароматической системы понижается, и их сигналы регистрируются в области слабых полей, которая обычно и называется «областью сигналов ароматических атомов водорода» для ЯМР-спектроскопии 1 Н и «областью сигналов ароматических атомов углерода» для ЯМР-спектроскопии 13 С.

Кроме бензольного кольца и углеводородов ароматические свойства проявляют многие гетероциклические соединения - пиррол , фуран , тиофен , пиридин , индол , оксазол и другие. При этом в сопряженную систему шестичленных гетероциклов гетероатом отдает один электрон (по аналогии с углеродом), в 5-атомных - неподеленную электронную пару. Ароматические свойства могут проявлять не только нейтральные молекулы, но и заряженные частицы, например, циклопропенилий-катион (2π-электронная система), циклопентадиенил-анион (6π-электронная система), циклогептатриенил-катион (6π-электронная система), циклооктатетраенил-дианион (10π-электронная система).

В ряде случаев ароматические соединения получают из неароматических веществ в ходе процесса ароматизации. Наибольшее практическое значение имеет каталитический риформинг бензиновых фракций, который увеличивает октановое число моторного топлива (см. послесловие к задаче

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.

Ароматичностьособое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженноекольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можнобыло бы ожидать только при одном сопряжении.Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и являетсяпонятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклическихмолекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложенпотому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом. Наиболее распространены ароматические соединения, содержащие в цикле шесть углеродных атомов; родоначальником этого ряда является бензол C 6 H 6 . Рентгеноструктурный анализ показывает, что молекула бензола плоская, а длина С-С связей составляет 0,139 нм. Из этого следует, что все шесть атомов углерода в бензоле находятся в sp 2 -гибридном состоянии, каждый атом углерода образует σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в одной плоскости, валентные углы составляют 120º. Таким образом, σ-скелет молекулы бензола представляет собой правильный шестиугольник. При этом каждый атом углерода имеет негибридную p -орбиталь, расположенную перпендикулярно плоскому скелету молекулы; все шесть негибридных p -электронов взаимодействуют между собой, образуя π-связи, не локализованные в пары, а объединенные в единое π-электронное облако. Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение. Графически строение бензола можно передать следующей формулой:

Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии в 154 кДж/моль – эта величина составляет энергию сопряжения – количество энергии, которое нужно затратить, чтобы разрушить ароматическую систему бензола.

Для образования устойчивой ароматической системы необходимо, чтобы p -электроны формально группировались в 3, 5, 7 и т. д. двойных связей; математически это выражается правилом Хюккеля : повышенной термодинамической стабильностью обладают циклические соединения, имеющие плоское строение и содержащие в замкнутой системе сопряжения (4n + 2) электронов, где n – натуральный ряд чисел.

31 . Реакции электрофильного замещения в бензоле (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование). Представление о механизме реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду, σ- и π-комплексы.

Галогенирование

Для введения галогена в ароматическое кольцо в качестве реагентов используют комплексы галогенов с кислотами Льюиса. Роль последних заключается в поляризации связи галоген-галоген, в результате чего один из атомов приобретает положительный заряд, тогда как другой образует связь с кислотой Льюиса за счет ее вакантной d -орбитали.

Нитрование

Бензол и его гомологи превращаются в нитросоединения действием нитрующей смеси, которая состоит из концентрированных серной и азотной кислот (2:1). Нитрующей частицей (электрофилом) является катион нитрония NO 2 + , существование которого в нитрующей смеси доказано криоскопическим методом: измерения температур замерзания азотной и серной кислот и их смеси указывает на присутствие четырех частиц в растворе.

Сульфирование

Реакция сульфирования аренов, как считают, протекает в олеуме при действии триоксида серы, а в серной кислоте - с участием катиона HSO 3 + . Триоксид серы проявляет электрофильный характер благодаря полярности связей S–O.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Одним из способов получения гомологов бензола является реакция алкилирования. Превращение носит имя Ш. Фриделя и Дж. М. Крафтса, которые его открыли. В реакцию, как правило, вводят галогеналканы и галогениды алюминия в качестве катализаторов. Считают, что катализатор – кислота Льюиса – поляризует связь С-галоген, создавая на атоме углерода дефицит электронной плотности, т.е. механизм аналогичен реакции галогенирования

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Сходной с реакцией алкилирования является реакция ацилирования ароматических соединений. В качестве реагентов применяют ангидриды или галогенангидриды карбоновых кислот, продуктами являются ароматические кетоны. Механизм этой реакции включает образование комплексного соединения между ацилирующим реагентом и кислотой Льюиса. В результате положительный заряд на атоме углерода несравненно возрастает, что делает его способным к атаке ароматического соединения.

Нужно отметить, что, в отличие от реакции алкилирования, в данном случае необходимо брать избыток катализатора по отношению к количеству реагентов, т.к. продукт реакции (кетон) сам способен к комплексообразованию и связывает кислоту Льюиса.

Реакции электрофильного замещения σ- и π-комплексы характерны для ароматических карбоциклических и гетероциклических систем. В результате делокализации p-электронов в молекуле бензола (и других ароматических систем) p-электронная плотность распределена равномерно по обе стороны цикла. Подобное экранирование p-электронами атомов углерода цикла защищает их от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчает возможность атаки электрофильными реагентами. Но в отличие от реакций алкенов с электрофильными реагентами, взаимодействие ароматических соединений с ними не приводит к образованию продуктов присоединения, так как в этом случае нарушалась бы ароматичность соединения и уменьшалась его устойчивость. Сохранение ароматичности возможно в случае, если электрофильная частица заместит катион водорода.Механизм реакций электрофильного замещения похож на механизм реакций электрофильного присоединения, так как имеются общие закономерности протекания реакций.

Общая схема механизма реакций электрофильного замещения S Е:

Образование пи-комплекса идет за счет пи-связи в соединении, а сигма-комплекса - за счет сигма-связи.

Образование π-комплекса. Образовавшийся электрофил Х+(например, ион Br+) атакует богатое электронной плотностью бензольное ядро, образуя π-комплекс.

Превращение π-комплекса в σ-комплекс. Электрофил отбирает 2 электрона у π-системы, образуя σ−связь с одним из атомов углерода бензольного кольца. Разница между пи- и сигма-связью: Сигма связь более крепкая, сигма связь образуется гибридными орбиталями Пи связь, которая образована негибридизованными пи-орбиталями.Пи-связь более удалены от центров, соединяемых атомов, поэтому она менее крепкая и её легче разорвать.

32. Ароматические углеводороды. Влияние заместителей в бензольном кольце на изомерный состав продуктов и скорость реакции. Активирующие и дезактивирующие заместители. Орто-, пара- и мета -ориентанты. Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи.

Существенной особенностью реакций получения и превращений производных ароматических углеводородов является то, что новые заместители вступают в бензольное кольцо в определенные положения по отношению к уже имеющимся заместителям. Закономерности, определяющие направление реакций замещения в бензольном ядре, называются правилами ориентации.

Реакционная способность того или иного атома углерода в бензольном кольце определяется следующими факторами: 1) положением и природой уже имеющихся заместителей, 2) природой действующего агента, 3) условиями проведения реакции. Решающее влияние имеют два первых фактора.

Заместители в бензольном кольце можно разделить на две группы.

Электронодонорные (первого рода) - это группировки атомов, способные отдавать электроны. К ним относятся ОН, OR, RCOO, SH, SR, NH 2 , NHR, NR 2 , NHCOR, -N=N-, CH 3 , CH 2 R, CR 3 , F, CI, Br, I.

Электроноакцепторные заместители (второго рода) - это атомные группировки, способные оттягивать, принимать электроны от бензольного ядра. К ним относятся S0 3 H, N0 2 , CHO, COR, COOH, COOR, CN, СС1 3 , и т. д.

Действующие на ароматические соединения полярные реагенты можно разделить на две группы: электрофильные и нуклеофильные. Наиболее характерны для ароматических соединений процессы алкилирования, галогенирования, сульфирования и нитрования. Эти процессы идут при взаимодействии ароматических соединений с электрофильными реагентами. Известны и реакции с нуклеофильными реагентами (NaOH, NH 2 Na и т. д.), например реакции гидроксилирования, аминирования.

Заместители первого рода облегчают реакции с электрофильными реагентами, причем они ориентируют новый заместитель в орто- и пара -положения.

Заместители второго рода затрудняют реакции с электрофильными реагентами: они ориентируют новый заместитель в мета-положение. В то же время эти заместители облегчают реакции с нуклеофильными реагентами.

Рассмотрим примеры реакций с различными ориентирующим действием заместителей.

1. Заместитель первого рода; реагент электрофильный. Облегчающее реакцию действие заместителя, о-, п-ориентация:

2. Заместитель второго рода; реагент электрофильный. Затрудняющее реакцию действие заместителя; м-ориентация:

3. Заместитель первого рода; реагент нуклеофильный; м-ориентация. Затрудняющее действие заместителя. Примеры таких реакций с бесспорным механизмом неизвестны.

4. Заместитель второго рода; реагент нуклеофильный, о-, п-ориентация:

Правила ориентации при электрофильном замещении в бензольном кольце основаны на взаимном влиянии атомов в молекуле. Если в незамещенном бензоле С 6 Н 6 электронная плотность в кольце распределена равномерно, то в замещенном бензоле С 6 Н 5 Х под влиянием заместителя Х происходит перераспределение электронов и возникают области повышенной и пониженной электронной плотности. Это оказывает влияние на легкость и направление реакций электрофильного замещения. Место вступления нового заместителя определяется природой уже имеющегося заместителя.

Правила ориентации

Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т.е. оказывают ориентирующее действие.

По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода .

Ориентанты 1-го рода (орто-пара орто - и пара -положения. К ним относятся электронодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках):

R (+I ); -OH (+M,-I ); -OR (+M,-I ); -NH 2 (+M,-I ); -NR 2 (+M,-I )+M-эффект в этих группах сильнее, чем -I-эффект.

Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто - и пара -положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов. Пример:

Ориентанты 1-го рода, повышая электронную плотность в бензольном кольце, увеличивают его активность в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.

Особое место среди ориентантов 1-го рода занимают галогены, проявляющие электроноакцепторные свойства: -F (+M<–I ), -Cl (+M<–I ), -Br (+M<–I ).Являясь орто-пара -ориентантами, они замедляют электрофильное замещение. Причина - сильный –I -эффект электроотрицательных атомов галогенов, понижащий электронную плотность в кольце.

Ориентанты 2-го рода (мета -ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в мета -положение. К ним относятся электроноакцепторные группы:

NO 2 (–M, –I ); -COOH (–M, –I ); -CH=O (–M, –I ); -SO 3 H (–I ); -NH 3 + (–I ); -CCl 3 (–I ).

Ориентанты 2-го рода уменьшают электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто - и пара -положениях. Поэтому электрофил атакует атомы углерода не в этих положениях, а в мета -положении, где электронная плотность несколько выше. Пример:

Все ориентанты 2-го рода, уменьшая в целом электронную плотность в бензольном кольце, снижают его активность в реакциях электрофильного замещения.

Таким образом, легкость электрофильного замещения для соединений (приведенных в качестве примеров) уменьшается в ряду:

толуол C 6 H 5 CH 3 > бензол C 6 H 6 > нитробензол C 6 H 5 NO 2 .

Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи

Вторая по важности группа реакций алкилароматических углеводородов - свободнорадикальное замещение атома водорода боковой цепи в a -положении по отношению к ароматическому ядру.

Преимущественное замещение в a -положении объясняется высокой устойчивостью соответствующих алкилароматических радикалов, а следовательно, сравнительно небольшой прочностью a -С-Н-связи. Например, энергия разрыва связи С-Н в боковой цепи молекулы толуола составляет 327 кДж/моль - на 100 кДж/моль меньше, чем энергия связи С-Н в молекуле метана (427 кДж/моль). Это означает, что энергия стабилизации свободного радикала бензила С 6 Н 5 -СН 2 · равна 100 кДж/моль.

Причиной высокой устойчивости бензильного и других алкилароматических радикалов с неспаренным электроном у a -углеродного атома является возможность распределения спиновой плотности неспаренного электрона на несвязывающей молекулярной орбитали, охватывающей атомы углерода 1", 2, 4 и 6.

В результате распределения (делокализации) спиновая плотность неспаренного электрона только на 4/7 остается у некольцевого атома углерода, остальные 3/7 спиновой плотности распределены между одним пара - и двумя орто - углеродными атомами ароматического ядра.

Реакции окисления

Реакции окисления в зависимости от условий и природы окислителя могут протекать по разным направлениям.

Молекулярный кислород при температуре около 100 о С окисляет изопропилбензол по радикально-цепному механизму до сравнительно устойчивого гидропероксида.

33. Конденсированные ароматические углеводороды: нафталин, антрацен, фенантрен, бензпирен. Их структурные фрагменты в природных и биологически активных веществах (стероидов, алкалоидов, антибиотиков).

Нафтали́н - С 10 Н 8 твердое кристаллическое вещество с характерным запахом. В воде не растворяется, но хорошо растворим в бензоле, эфире, спирте, хлороформе. Нафталин по химическим свойствам сходен с бензолом: легко нитруется, сульфируется, взаимодействует с галогенами. Отличается от бензола тем, что ещё легче вступает в реакции. Нафталин получают из каменноугольной смолы.

Антраце́н - бесцветные кристаллы, t пл 218° C. Нерастворим в воде, растворим в ацетонитриле и ацетоне, при нагревании растворим в бензоле. Антрацен получают из каменноугольной смолы. По химическим свойствам сходен с нафталином (легко нитруется, сульфируется и т. д.), но отличается от него тем, что легче вступает в реакции присоединения и окисления.

Антрацен может фотодимеризоваться под действием УФ излучения. Это приводит к существенному изменению свойств вещества.

В димере имеются две ковалентные связи, образованные в результате циклоприсоединения. Димер распадается обратно на две молекулы антрацена при нагревании или при УФ облучении с длиной волны ниже 300 нм.Фенантрен - трициклический ароматический углеводород. Фенантрен представляет собой блестящие бесцветные кристаллы. Не растворяется в воде, растворяется в органических растворителях (диэтиловом эфире, бензоле, хлороформе, метаноле, уксусной кислоте). Растворы фенантрена светятся голубым цветом.

По химическим свойствам напоминает нафталинБензпире́н, или бензапире́н - ароматическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов, вещество первого класса опасности.

Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива (в меньшей степени при сгорании газообразного).

В окружающей среде накапливается преимущественно в почве, меньше в воде. Из почвы поступает в ткани растений и продолжает своё движение дальше в пищевой цепи, при этом на каждой её ступени содержание БП в природных объектах возрастает (см. Биомагнификация).

Обладает сильной люминесценцией в видимой части спектра (в концентрированной серной кислоте - А 521 нм (470 нм); F 548 нм (493 нм)), что позволяет обнаруживать его в концентрациях до 0,01 миллиардных долей люминесцентными методами.

34. Галогенпроизводные углеводородов. Классификация, номенклатура, изомерия .

Классифицировать галогенопроизводные можно несколькими способами:

1. в соответствии с общей классификацией углеводородов (т.е. алифатические, алициклические, ароматические, предельные или непредельные галогенопроизводные)

2. по количеству и качеству атомов галогенов

3. по типу атома углерода, к которому присоединён атом галогена: первичные, вторичные, третичные галогенопроизводные.

По номенклатуре ИЮПАК положение и название галогена указывается в приставке. Нумерация начинается с того конца молекулы, к которому ближе расположен атом галогена. Если присутствует двойная или тройная связь, то именно она определяет начало нумерации, а не атом галогена: До сих пор широко используется т.н. “рациональная номенклатура” для составления названий галогенопроизводных. В этом случае название строится следующим образом: углеводородный радикал + галогенид.

Некоторые галогенопроизводные имеют тривиальные названия, например ингаляционный анестетик 1,1,1-трифтор-2-бром-2-хлорэтан (CF 3 -CBrClH) имеет тривиальное название фторотан. 3. Изомерия

3.1. Cтруктурная изомерия 3.1.1. Изомерия положения заместителей

1-бромбутан 2-бромбутан

3.1.2. Изомерия углеродного скелета

1-хлорбутан 2-метил-1-хлорпропан

3.2. Пространственная изомерия

Стереоизомерия может проявляться при наличии четырёх разных заместителей у одного атома углерода (энантиомерия) или при наличии разных заместителей при двойной связи, например:

транс-1,2-дихлорэтен цис-1,2-дихлорэтен

35. Реакции нуклеофильного замещения атома галогена, их использование в синтезе органических соединений различных классов (спиртов, простых и сложных эфиров, аминов, тиолов и сульфидов, нитроалканов, нитрилов). - позволяет получать представители практически всех классов органических соединений (спирты, эфиры, амины, нитрилы и др.), поэтому эти реакции широко применяются в синтезе лекарственных веществ. Основные механизмы реакций

Замещение галогена у sp 3 -гибридного атома углерода может осуществляться как по S N 1, так и по S N 2 механизмам. Замещение галогена у sp 2 -гибридного атома углерода (в арил- и винилгалогенидах) идет либо по типу присоединения-отщепления, либо по типу отщепления-присоединения и значительно труднее, чем у sp 3 -гибридного. - S N 1 механизм включает две стадии: а) диссоциация алкилгалогенида на ионы; б) взаимодействие катиона с нуклеофиломНуклеофильная атака контактной ионной пары, в которой асимметрия в значительной мере сохраняется, приводит к обращению конфигурации. В сольватно-разделенной ионной паре одна сторона катиона экранируется сольватированным галогенид-ионом и атака нуклеофила более вероятна с другой стороны, что приводит к преимущественному обращению конфигурации, но селективность снижается, и рацемизация увеличивается. Полная рацемизация возможна лишь при образовании свободного катиона (с). Однако, полная рацемизация для оптически активных галогенидов при механизме S N 1 обычно не наблюдается. Рацемизация составляет от 5 до 20%, следовательно, сольватированный катион практически не образуется.

Стадия образования карбокатиона является лимитирующей, а, следовательно, стабильность катиона определяет быстроту прохождения процесса. Скорость процесса зависит также от концентрации алкилгалогенида и не зависит от концентрации нуклеофила.

Образование карбокатиона может являться причиной ряда побочных процессов: изомеризация углеродной цепи, элиминирование (EI) и др

Нуклеофил Nu - атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе. При этом реакция идет в одну стадию с образованиемпереходного состояния, в которомsp 3 -гибридизация центрального атома углерода изменяется наsp 2 - с р-орбиталью, перпендикулярной плоскости расположения гибридных орбиталей. Одна доля этойр-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая – с уходящей группой.Связь С-Nu образуется одновременно с разрывом связи С-Y.

Скорость превращения исходных веществ в продукты реакции зависит: 1)от величины положительного заряда на атоме углерода субстрата, 2)пространственных факторов, 3)силы нуклеофила и 4)в кинетической области от концентрации как нуклеофила, так и алкилгалогенида. При большом избытке нуклеофила реакция может протекать попервому или дробному порядку. (Термины S N 1 и S N 2 указывают лишь на молекулярность, но не на порядок реакции.)

Реакция всегда сопровождается обращением конфигурации.Побочной может быть реакция элиминирования Е2.

Механизм S N Ar (присоединение - отщепление) -обычно реализуетсяпри наличие электроноакцепторных заместителей, которые создаютd+ (направляют нуклеофил) и стабилизируютs-комплекс. В гетероциклах их роль выполняет гетероатом. В отличие от механизмаS N 2 для алкилгалогенидов нуклеофил образует новую связь раньше, чем рвется старая.

Пиридин и хинолин можно рассматривать как аналоги нитробензола. Как и в нитробензоле, большое значение имеет положение галогена в кольце. 3-Галогенпиридины похожи на галогенбензолы, 2-,4-замещенные аналогичны нитрогалогенбензолам, при этом 4-галогенпиридин активнее 2-замещенного. Реакционная способность алкилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения в протонных растворителях уменьшается (уменьшается способность групп уходить) в следующем ряду: RI > RBr > RCl > RF.

В случае активированных галогенаренов появление положительного заряда у реакционного центра зависит не только от количества, расположения и природы других заместителей в ядре, но и от природы замещаемого галогена. Поэтому атомы галогена могут быть замещены с возрастающей легкостью в ряду I < Br < Cl < F .Катализ замещения галоген в аренах медью – один из важных технологических приемов, позволяющий ускорить реакцию замещения неактивированного галогена в аренах, снизить температуру реакции (~ на 100 о С), увеличить селективность процесса и выход продукта. Предполагают, что реакция идет через стадию образования медь-органических комплексов

Ароматические субстраты (арилгалогениды) должны быть активированными, иначе выход целевого продукта (эфира) может оказаться низким за счет побочных процессов. .Замена галогена в первичных и вторичных алкилгалогенидах на амино группу осуществляется нагреванием их со спиртовым, водным или водно-спиртовым раствором аммиака, первичного или вторичного амина под давлением (в автоклаве). При этом образуется смесь солей первичных, вторичных, третичных аминов и четвертичных солей аммония