8.5: Ароматичність

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25105

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

Розглянувши деякі властивості кон'югованих систем, ми тепер перейдемо до того, що може бути кінцевим у кон'югованих системах, як показано на прикладі бензолу\(\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{6}\). Хоча багато властивостей бензолу та його похідних певним чином схожі з властивостями відкритоланцюгових сполучених систем, існують важливі відмінності. Бензол має властивість, відому як ароматичність, і ми говоримо, що бензол є ароматичним. У повсякденній мові термін ароматичний означає, що щось пахне; зазвичай добре. Хоча бензол має досить сильний запах ^[7], в хімії ароматичні стали означати особливий набір властивостей, які виходять з молекулярної структури деяких молекул. Бензол - найпростіший і поширений приклад ароматичної сполуки. Структура бензолу була чимось загадкою протягом досить довгого часу; врешті-решт вона була написана у вигляді так званих структур Кекуле, в яких подвійні та одинарні зв'язки чергуються навколо кільця. Ми можемо написати дві еквівалентні резонансні структури, які однаково сприяють загальній структурі молекули. Хоча ці моделі можуть служити нам добре при спробі з'ясувати, що роблять електрони під час реакцій, ні вони не є адекватними для представлення фактичної структури бензолу. Іноді ви побачите бензол, написаний колом посередині (\(\beta\)), щоб вказати, що насправді немає жодних або подвійних зв'язків; скоріше, між усіма вуглецями існує однакова електронна щільність (1,5 зв'язку).

Зображення бензолу.

Зображення бензолу, написане колом посередині.

Бензол має деякі досить чудові властивості, що змусило хіміків віднести його до складу абсолютно іншого типу функціональності. Наприклад, бензол набагато стабільніший, ніж можна собі уявити, навіть для кон'югованої системи. Теплота гідрування бензолу є\(-208 \mathrm{~kJ/mole}\), тоді як\(\Delta \mathrm{H}\) гідрування ізольованого подвійного зв'язку в циклогексені є\(130 \mathrm{~kJ/mol}\). Ми можемо побачити ефекти кон'югації в 1,3-цикло-гексадієні, що є\(\mathrm{232 \mathrm{~kJ/mol}\) (не 260, як можна було б очікувати, якби він був кон'югований). Аналогічно, якби бензол не був кон'югований, ми очікували б теплоти гідрування\(3 \times 130 = 390 \mathrm{~kJ/mol}\). Тому різниця між очікуваною та фактичною енергією гідрування повинна бути обумовлена стабілізацією, наданою резонансом.

Зображення резонансної енергії чотирьох молекул у міру збільшення або зменшення тепла.

Зображення реакції Br2.

Ця стабільність називається енергією резонансу, і в ароматичних сполуках, таких як бензол, вона має значний вплив на властивості речовини та типи реакцій, в яких бере участь молекула. Наприклад, бензол не вступає в реакцію з електрофілами так само, як ізольовані алкени або навіть спряжені алкени з відкритим ланцюгом. Нагадаємо, що найпоширенішою реакційною здатністю простих алкенів є електрофільне додавання E-Nu, де Е - електрофіл, а Nu - нуклеофіл, через подвійний зв'язок. На відміну від цього, бензол піддається електрофільному заміщенню; зазвичай умови реакції вимагають каталізатора і великого нагрівання. Незабаром ми обговоримо механізм цієї реакції, але наразі важливо відзначити, що важко порушити ароматичне кільце електронів, і коли це станеться, ароматичне кільце регенерує.