Бутадиен-1,3 Хлорэтен

..

Н₂С = СН – СН = СН₂ Н₂С = СН – О - С₂Н₅

Бутен-2-ин-3 Винилэтиловый эфир

О ..

// Н₂С = СН – О - СН = СН₂

Н₂С = СН – С Дивиниловый эфир

\

Пропеналь Н О

//

Н₃С - С

\ ..

О – Н

Уксусная кислота

3.2. Замкнутые сопряженные системы. Ароматичность.

Сопряженные системы с замкнутой цепью сопряжения – это арены, гетероциклические соединения и небензоидные ароматические структуры. Простейшие замкнутые сопряженные структуры – арены, родоначальником которых является бензол. Бензол был известен издавна, однако долгое время эго структура была не доказана и только в 1865 А. Кекуле предложил изображать строение молекулы бензола в виде правильного шестиугольника с системой чередующихся двойных и простых связей. Изображать формулу бензола принято таким образом и сейчас.

Все атомы углерода находятся в sр²- гибридизации, все связи С-С равны между собой, имеют длину 1,40 А⁰ и занимают как бы промежуточное положение между простой (1,54 А⁰) и двойной (1,33 А⁰) связями, При этом каждый атом углерода образует три - связи (одну связь С – Н и две -связи С-С), лежащих в одной плоскости , т.е. у каждого атома углерода осталось по одному р-электрону, орбитали которых, за счет двукратного перекрывания друг с другом образуют замкнутую -электронную систему, которая охватывает все атомы углерода. -электронная плотность в такой системе распределена равномерно. Замкнутый секстет электронов представляет собой связь, которая отличается от других типов и ее часто называют ароматической. Электронное строение молекулы бензола можно описать с помощью теории резонанса согласно которой молекула бензола рассматривается как резонансный гибрид двух предельных ( граничных структур)

Понятие ароматичности возникло более ста лет тому назад. В настоящее время к ароматическим системам относятся любые плоские замкнутые циклы, отвечающие критериям ароматичности.

Критерии ароматичности:

1. Молекула имеет плоское циклическое строение.

2. Все атомы в цикле в состоянии sp²- гибридизации (следовательно -скелет плоский и все р_z-орбитали параллельны.

3. В молекуле существует делокализованная -электронная система, содержащая 4n + 2 р-электрона , где n = 0,1,2,3… - натуральный ряд чисел. Это правило получило название правило Хюккеля, предложено в 1931 на основании метода молекулярных орбиталей ).

Правило Хюккеля применимо не только для моноциклических -электронных систем, но и для плоских конденсированных систем.

Нафталин Антрацен Фенантрен

4n+2=10 р-эл-нов 4n+2=14 р-эл-нов 4n+2=14 р-эл-нов

n = 2 n = 3 n = 3

Однако не все замкнутые ароматические структуры являются ароматическими. Так например, циклооктатетраен-1,3,5,7 не относится к ароматическим, т.к. не удовлетворяется правило Хюккеля, 4n + 2 = 8 р-электронов, n = 1,5.

Циклооктатетраен-1,3,5,7

Ароматическим характером обладают и гетероциклические соединения. При замене в молекуле бензола -СН = на – N = образуется гетероциклическое соединение пиридин. Пиридиновое ядро входит в состав многих природных веществ: витамины РР, В₆, кофермент НАД, никотин и другие, а также входит в состав лекарственных препаратов (фтивазид).

Пиридин удовлетворяет всем критериям ароматичности:

1) Имеет циклическое строение

2) Все атомы углерода в цикле в состоянии sp²

гибридизации, пиридиновый атом азота также находится

Электронное строение пиридинового

атома углерода:

3)Правило Хюккеля 4n + 2 = 6 р-электронов, n = 1

Все критерии ароматичности соблюдены, пиридин является ароматическим соединением.

Атом азота поставляет в ароматическое - электронное облако Р_z- орбиталь с одним электроном, остальные 4 электрона располагаются на трех sp²- гибридных орбиталях, причем две из них участвуют в образовании двух -связей, а третья с неподеленной электронной парой определяет его свойства как основания.

В молекуле пиридина имеет место ,-сопряжение. Пиридиновый азот из-за большей электроотрицательности по сравнению с углеродом смещает к себе единую -электронную плотность, в целом понижая электронную плотность ароматического кольца. Поэтому такие системы с пиридиновым азотом называют -недостаточными.

При замене фрагмента - СН = СН – на > NН возникает пятичленный цикл – пиррол

1. Молекула пиррола имеет циклическое строение.

2. Все атомы углерода в цикле находятся в sp²-гибридизации, атом азота также sp²-гибридизацию, при этом атом азота поставляет в единое -электронное облако двухэлектронную Р_z-орбиталь.

Пиррол

Электронное строение пиррольного атома азота

3. Общая π-электронная плотность пиррола включает в себя 4n+2 = 6 р-электронов

В молекуле пиррола имеет место р,-сопряжение. Системы, имеющие пиррольный азот называют -избыточными или суперароматическими системами. Наличие такой системы сильно влияет на реакционную способность пиррола.

В природных соединениях ароматический пиррольный цикл часто встречается в различных многоядерных соединениях, из которых наиболее важное значение имеет порфиновое ядро, входящее в состав гемоглобина и хлорофилла.

Сопряженная система из 26 р-электронов (11 двойных связей и 2 неподеленные пары электронов пиррольных атомов. Большая энергия сопряжения (840 Кдж) свидетельствует о высокой стабильности порфина.

Понятие ароматичности распространяется не только на нейтральгные молекулы, но и на заряженные ионы. _

При замене фрагмента – СН=СН – в бензоле на – СН возникает карбоциклический – циклопентадиенил анион, относящийся к небензоидной структуре. Циклопентадиенил ион входит в состав лекарственного препарата ферроцена (дициклопентадиенил железо) и природного соединения азулена.

Циклопентадиенил анион образуется при отщеплении протона от циклопентадиена-1,3.

Рассмотрим критерии ароматичности для циклопентадиенил аниона:

1. соединение циклическое

2. все атомы углерода имеют sp²- гибридизацию

3. Общая π-электронная система включает в себя 4n + 2 = 6 р-электронов

Ферроцен относится к сандвичеобразным металлоорганическим соединениям (стимулирует процессы кроветворения и применяется при железодефицитных анемиях.

Циклогептатриенил катион (тропилий катион) образуется из циклогептатриена-1,3,5 при отщеплении гидрид иона.

Тропилий катион - правильный семиугольник. Ароматический секстет образован перекрыванием 6-одноэлектронных и одной свободной р_z-орбиталью.

Рассмотрим критерии ароматичности для тропилий катиона:

1) Соединение циклическое

2) Все атомы углерода имеют sp²- гибридизацию

3) Общая π-электронная система включает в себя 4n + 2 = 6 р-электронов