Aromatik dan anti aromatik • Arkady Kuramshin • Tugas-tugas saintifik yang popular mengenai "Unsur" Kimia

Aromatik dan anti aromatik

Tugas

Konsep "aromatik" dan "anti aromatik" dalam kimia tidak berkaitan dengan kehadiran bau dalam bahan tersebut. Sebatian aromatik adalah bahan di mana sistem konektual tertutup elektron π, yang terbentuk akibat daripada tumpang tindih awan p-elektron atom jiran, memberikan molekul kestabilan anomali yang tinggi. Mungkin sebatian aromatik yang paling terkenal adalah benzena C6H6, jauh lebih lincah dibandingkan dengan sebatian di mana karbon mempunyai bilangan atom hidrogen yang lebih banyak – C6H8Dengan6H10Dengan6H12 dan C6H14. Dalam sebatian anti-aromatik, sistem konjugasi elektron tertutup, sebaliknya, menjadikan molekul anti-aromatik sangat tidak stabil, dan dalam beberapa keadaan sebatian anti aromatik dengan formula yang diinginkan tidak dapat diperoleh sama sekali.

Pada tahun 1931, Erich Hückel merumuskan peraturan yang membolehkan bahan ini diklasifikasikan sebagai aromatik atau antiaromatik. Selaras dengan peraturan Hückel, aromatik adalah sistem conjugate tertutup rata yang mengandungi 4n + 2 π-elektron, dan sistem anti-aromatik hendaklah terdiri daripada 4n π-elektron (n – nombor semulajadi atau sifar).Oleh itu, dalam benzena, sistem ini mengandungi enam π-elektron, dan memenuhi kriteria Hückel aromatik untuk n = 1.

Berikut adalah formula struktur sepuluh bahan yang molekulnya rata. Tentukan, yang mana dari mereka boleh dikaitkan dengan aromatik, yang – untuk antiaromatik, dan yang tidak termasuk dalam mana-mana kategori ini.


Petua 1

Ikatan berganda di antara unsur-unsur tempoh kedua Jadual Berkala terdiri daripada ikatan σ dan ikatan π. Setiap ikatan π dibentuk oleh dua π-elektron.


Petua 2

Bukan sahaja π-elektron yang bertanggungjawab untuk pembentukan ikatan kimia, tetapi juga pasangan elektron tunggal atau p-orbital kosong boleh menyertai pembentukan sistem elektron konjugated.


Petua 3

Anda boleh menentukan sama ada pasangan elektron yang tidak disatukan atau p-orbital yang kosong terletak pada atom dengan menganalisis kedudukan elemen dalam Sistem Berkala – bilangan elektron pada tahap luar (valensi) elemen adalah sama dengan bilangan kumpulan di mana ia berada. Untuk pembentukan setiap elemen ikatan mudah (tunggal) menggunakan satu elektron dari tahap valensi.


Penyelesaian

Menggunakan maklumat dari arahan dan sistem Berkala, anda boleh mendapatkan kesimpulan berikut:
1) satu atom karbon yang membentuk ikatan berganda memperkenalkan satu elektron ke dalam sistem konjugasi, satu atom karbon yang membentuk hanya satu ikatan – tidak ada (satu ikatan tunggal ialah σ-ikatan)
2) atom nitrogen memberikan dua elektron kepada sistem konjugasi,
3) atom boron – tidak ada, tetapi menutup sistem konjugasi disebabkan oleh orbital kosong (bebas elektron).

Angka di bawah menunjukkan berapa elektron kepada sistem konjugasi yang memberikan setiap atom (nombor hijau), dan jumlah elektron dalam sistem konjugasi (nombor merah) bagi setiap molekul ini.

Jumlah

Sebatian 1, 3, 5, 6, 7, dan 10 adalah aromatik, mereka mempunyai sistem konjugasi tertutup, bilangan elektron di mana (4n + 2) sepadan dengan kriteria Hückel. Pada masa yang sama, pirol (No. 3) dan indole (No. 6) dirujuk sebagai sebatian aromatik heterosiklik – bukan sahaja atom karbon tetapi juga unsur-unsur lain yang terlibat dalam pembentukan sistem konjugat tunggal. Borazole ("benzena bukan organik", No 7) adalah sebatian aromatik yang tidak mengandungi atom karbon tunggal dan contoh pertama hakikat bahawa aromatik bukanlah milik sebatian organik semata-mata.

Kompaun dengan nombor 4 dan 8 adalah antiaromatik: masing-masing mempunyai 4 dan 12 elektron dalam sistem conjugasi tertutup, yang memenuhi kriteria antiaromatik. Ia adalah dari percubaan yang tidak berjaya untuk mensintesis siklobutadiena (No. 4) bahawa kemunculan istilah "antiaromatik" harus dikira.

Bahan-bahan dengan nombor 2 dan 9 tidak termasuk aromatik atau anti aromatik: mereka adalah semata-mata bahan dalam struktur yang mana terdapat sistem untuk konjugasi beberapa ikatan. Orang mungkin berfikir bahawa bilangan elektron untuk No. 2 bersesuaian dengan sistem anti-sistemik, dan untuk No. 9 – untuk yang aromatik, bagaimanapun, untuk memaparkan ciri-ciri aromatik atau antiaromatik, perlu mempunyai sistem konjugasi tertutup, yang tidak mempunyai molekul ini. Hexatriene-1,3,5 (No. 9) adalah molekul asiklik (terbuka), dan dalam syclopentadiene-1,3 (No. 2), walaupun ia adalah molekul dengan rantai karbon tertutup, molekul atom -CH2– di mana bentuk karbon hanya mudah (tunggal) ikatan, ia tidak membenarkan untuk menutup sistem antara elektron π.


Selepas perkataan

Walaupun pada hakikatnya konsep "aromatik" tidak ada kaitan dengan bau, ia berbaloi asalnya kepada aroma ciri aromatik yang pertama yang diketahui.Ahli kimia pada awal abad ke-19 cuba menentukan struktur benzena, cairan berbau tidak diketahui, yang diasingkan oleh Michael Faraday dari gas bercahaya yang digunakan untuk menerangi jalan-jalan di London pada waktu malam.

Sedikit kemudian, menurut keputusan analisis, menunjukkan bahawa nisbah antara atom C dan H adalah 1: 1, dan berat molekulnya ditentukan oleh rumusnya – C6H6, yang dibenarkan untuk bercakap mengenai tahap ketidakstabilan dan kereaktifan yang melampau. Dari rumusnya, benzena dapat melampirkan empat molekul hidrogen H2 untuk membentuk hidrokarbon tepu stabil C6H14Walau bagaimanapun, benzena stabil pada suhu bilik dan tidak mengalami tindak balas tambahan hidrogen, yang merupakan ciri-ciri sebatian tak tepu.

Berdasarkan sifat-sifat benzena dan tanggapan bahawa karbon membentuk empat ikatan kimia, dan juga fakta bahawa atom karbon dapat ikatan antara satu sama lain dengan ikatan rangkap dua dan tiga, beberapa rumus struktur formula benzena yang dicadangkan dicadangkan. Sudah pada abad kedua puluh, semua senyawa yang bersamaan dengan formula ini telah disintesis. Telah didapati bahawa sifat fizikal dan kimia mereka berbeza daripada benzena.Ia juga mendapati bahawa prisman (benzene Ladenburg) dan benzena Dewar secara spontan berubah menjadi benzena pada suhu bilik.

Formula yang betul – kitaran sebatian ini telah ditubuhkan oleh Friedrich Augustus Kekule, yang, berdasarkan kenangannya, datang kepada idea ini dalam mimpi: dia bermimpi tentang ular yang menggigit ekornya, dan dia memutuskan bahawa benzena harus menjadi siklus atom atom yang beranggotakan enam dengan bon berganda dan tunggal bergantian.

Benar, menurut rumus Kekule, dan dia sendiri menganggapnya, mestilah dua isomer 1,2-diklorobenzena – dalam satu atom klorin harus dipisahkan oleh ikatan berganda, yang satu lagi – suatu ikatan tunggal. Kerana, seperti yang ternyata kemudian, tidak ada ikatan bergantian dan tunggal yang berselang-seli dalam benzena, semua atom karbon bersamaan, dan elektron-elektron membentuk satu sistem tertutup, namun isomer tersebut tidak dapat wujud. Sememangnya, mereka tidak pernah dijumpai, dan Kekule sendiri mengandaikan bahawa kegagalan pengesanan isomer ini dikaitkan dengan perubahan yang sangat pesat mereka kepada satu sama lain.

Ia adalah Kekule yang memperkenalkan konsep "aromatik", yang mana ia dicadangkan untuk dipertimbangkansebagai ciri khas benzena dan sebatian yang berkaitan, kestabilan dan kecenderungan mereka untuk mengambil bahagian dalam penggantian dan bukan tindak balas tambahan. Tingkah laku kimia sedemikian tidak dapat dijelaskan oleh formula Kekule, yang mencadangkan kehadiran tiga ikatan rangkap dalam kitaran benzena – dalam sebatian lain yang tidak termasuk dalam siri aromatik, beberapa ikatan aktif dimasukkan ke dalam tindak balas tambahan.

Apakah sebabnya untuk perilaku sebatian aromatik ini dijelaskan pada tahun 1931 oleh Erich Hückel, yang menggunakan kaedah mekanik kuantum mudah untuk mempelajari benzena, kaedah orbital molekul, menunjukkan bahawa tiada karbon dan karbon tunggal dan dua ikatan dalam molekul benzena p-elektron atom karbon membentuk satu awan elektron anulus, yang mana Hückel memberikan nama "sistem aromatik". Dia juga membangunkan peraturan-peraturan yang terdapat dalam masalah ini, yang membolehkan mengklasifikasikan molekul sebagai aromatik atau antiaromatik. Kedua-dua peraturan Hückel adalah sama untuk sebatian aromatik dan anti aromatik: struktur planar molekul dan sistem konjugat tertutup diperlukan untuk membentuk awan elektron anulus,dan sebilangan elektron dalam awan seperti itu boleh menstabilkan atau menjejaskan kestabilan molekul.

Walaupun aromatik adalah salah satu konsep kimia yang paling penting, tidak ada definisi pendek yang umum diterima konsep ini. Aromatik dipahami sebagai satu set ciri khas kumulatif, setakat yang wujud dalam beberapa molekul konjugasi kitaran. Sesetengah tanda-tanda ini boleh dilihat secara eksperimen, tetapi tanda-tanda lain boleh digambarkan hanya berdasarkan teori kuantum struktur molekul (ini adalah tepatnya peraturan Hückel mengenai bilangan elektron dalam sistem tertutup). Tidak mungkin untuk menjelaskan aromatik dari sudut pandangan hanya teori struktur kimia klasik.

Secara eksperimen perhatikan manifestasi aromatik berikut:
1) Kimia – kecenderungan molekul aromatik untuk tindak balas penggantian, dan tidak menyertai.
2) Struktural – kecenderungan untuk susunan atom dan penjajaran jangka panjang. Dalam benzena, penjajaran panjang ikatan adalah ideal – semua enam ikatan karbon-karbon adalah sama. Untuk molekul yang lebih kompleks, penjajaran panjang ikatan tidak sesuai, tetapi penting.
3) Magnetik – sistem elektronik senyawa aromatik yang tertutup mempengaruhi parameter spektrum resonans magnetik nuklear sebatian aromatik.Dalam sebatian aromatik, apabila medan magnet luar dikenakan kepada mereka, arus cincin timbul, yang menyumbang kepada penampilan medan magnet tempatan di dalam molekul, yang bertentangan dengan yang luar. Hasil daripada interaksi medan magnet dalaman dan luaran, penyaringan atom hidrogen dan atom karbon sistem aromatik berkurang, dan isyarat mereka direkodkan di kawasan medan lemah, yang biasanya dikenali sebagai "rantau isyarat atom hidrogen aromatik" untuk spektroskopi NMR 1H dan "kawasan isyarat atom karbon aromatik" untuk spektroskopi NMR 13C.

Sebagai tambahan kepada cincin benzena dan hidrokarbon, banyak sebatian heterosiklik – pirol, furan, thiophena, piridin, indole, oxazole, dan lain-lain – menunjukkan sifat aromatik. Pada masa yang sama, heteroatom memindahkan satu elektron ke sistem konjugasi enam heterocycle enam (dengan analogi dengan karbon), kepada satu atom 5 – satu pasangan elektron yang tidak disatukan. Sifat aromatik boleh menampakkan bukan sahaja molekul neutral, tetapi juga zarah-zarah yang dikenakan, contohnya, siklopropenil-kation (sistem 2π-elektron), anion siklopentadienil (sistem 6π-elektron), sikloheptatrienil-kation (6π-elektron system) 10π sistem elektronik).

Aromatik "ion". Dari kiri ke kanan: kation siklopropenil, anion siklopentadienil, kation sikloheptatrienil, cyclooctatetraenyl dianion

Dalam beberapa kes, sebatian aromatik diperoleh daripada bahan-bahan bukan aromatik semasa proses aromatisasi. Kepentingan praktikal yang paling besar ialah pembaharuan pemangkin pecahan petrol, yang meningkatkan bilangan oktan bahan bakar motor (lihat epilog kepada Masalah Pengecualian Fungus Masalah).


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: