1.4: Резонансні структури в органічній хімії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24562

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ефект резонансної стабілізації (також відомий як резонансний ефект), як коротко згадується в розділі 1.3, є однією з фундаментальних концепцій органічної хімії і має широке застосування. Обговорення резонансного ефекту значною мірою спирається на розуміння резонансних структур. Тут ми зупинимося на тому, як намалювати резонансні структури (або дописувачі резонансу) для видів органічної хімії та як порівняти відносну стабільність між структурами.

Відповідно до резонансного ефекту, чим більша кількість резонансних дописувачів, тим більший ефект стабілізації резонансу, і тим стабільнішим є вид. Тому, щоб передбачити, застосовується резонансний ефект чи ні, нам зазвичай потрібно побудувати «нові» резонансні структури (вкладники) на основі наявної «оригінальної». Є кілька дуже важливих правил, яких ми повинні дотримуватися для таких цілей.

Рекомендації щодо малювання резонансних структур:

Всі резонансні структури повинні бути дійсними структурами Льюїса. (Майте на увазі, що всі правила, що застосовуються до структур Льюїса, все ще застосовуються тут!)
Всі резонансні структури повинні мати однакову зв'язність атомів, і відрізнятися лише електронним розташуванням. (Атоми НІКОЛИ не рухаються, рухаються лише електрони.)
Всі резонансні структури мають однакову кількість електронів і чистий заряд. (Формальні заряди на окремому атомі можуть бути різними, але чистий заряд, тобто сума всіх зарядів, повинен бути однаковим.)
Для переміщення електронів використовуються тільки π електрони і однопарні електрони (НІКОЛИ не рухайте σ зв'язки!) можна перемістити з області вищої електронної щільності в область нижчої електронної щільності шляхом одного з трьох перетворень:
- π зв'язок утворює ще один π зв'язок;
- π зв'язок утворює одиничну пару електронів;
- одиночна пара електронів утворює π зв'язок.
Використовуйте вигнуті стрілки, щоб позначити рух електрона в «оригінальній» резонансній структурі. «Нова» резонансна структура повинна бути «продуктом», автоматично отриманим, слідуючи за стрілками.
Розрахуйте формальний заряд у «новій» структурі та позначте будь-які ненульові формальні збори.

Спосіб використання вигнутих стрілок показати передачу електронів також називається стрілкою штовхання, це дуже важливий фундаментальний навик, який потрібно освоїти в органічній хімії. Для побудови «нових» резонансних структур стрілки повинні бути показані в «оригінальній» структурі.

Приклади: Намалюйте іншу резонансну структуру на основі даної.

Підхід: У цьому прикладі є лише один π зв'язок, і немає жодних одиноких пар, тому тільки π електрони можна переміщати навколо. Поруч із зв'язком π є карбокація, яка є плямою низької електронної щільності. Тому розумно перемістити π електрони в положення поруч з карбокацією, щоб сформувати ще один π зв'язок, і це дає «нову» структуру. Дві резонансні структури тут рівнозначні.

Рішення

Підхід: Більше електронів, доступних для руху в цьому прикладі: кілька одиноких пар і один π зв'язок. Керівництво «переміщення електронів з області вищої електронної щільності в область нижчої електронної щільності» дає корисну підказку про те, з чого почати. Атом азоту має формальний заряд «-», тобто він має відносно високу електронну щільність, вищу, ніж інші нейтральні плями. Тому розумно перемістити самотню пару на азоті геть, щоб сформувати π зв'язок (майте на увазі, що одинока пара може утворювати тільки π зв'язок, а не іншу одиноку пару). Однак, коли нова π зв'язок утворюється навколо атома вуглецю, на цьому вуглеці є 5 зв'язків (10 електронів), що не допускається. Отже, інша електронна пара повинна бути відсунута, і єдина доступна електронна пара, яку потрібно перемістити, - це π електрони в зв'язку C = O. Він може переміщатися на атом кисню і стати ще однією самотньою парою на атомі кисню.

Рішення:

Дві резонансні структури в цьому прикладі нееквівалентні, тому одна стабільніша за іншу. Застосовуючи формальне керівництво заряду, формальний заряд «-» є кращим на кисень, який є більш електронегативним, ніж азот, тому ^2-я структура є більш стабільною з меншою енергією, і вносить більший внесок у фактичну структуру у цього виду. Більш стабільну структуру також можна назвати головним резонансним фактором.

Порівняння відносної стійкості різних учасників резонансу:

Структури з максимумом октетів є найбільш важливими.
Поділ заряду зазвичай знижує стабільність (збільшують енергію вкладника).
Негативні заряди повинні переважно розташовуватися на атомах з більшою електронегативністю, а позитивні заряди переважно розташовуватися на атомах з меншою електронегативністю.

Поширені помилки при нанесенні резонансних структур:

σ зв'язок переміщується
Атом переміщений
Більше восьми електронів, розташованих навколо C, N або O
Стрілки не відображаються належним чином
Електронні пари переміщені занадто далеко, їх слід лише перемістити в наступну позицію/атом.

Вправи 1.7 Намалюйте нову резонансну структуру і порівняйте відносну стійкість, покажіть стрілки в початковій структурі.

Відповіді на практичні питання Глава 1