ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ

Наука » Химия

Учёные XIX в., опиравшиеся только на теорию химического строения А. М. Бутлерова, не смогли решить все загадки молекулы бензола и чётко определить понятие ароматично­сти. Тогда ароматическим считалось любое органическое вещество, в мо­лекуле которого содержится бензольное ядро. Но уже в начале XX столетия были открыты небензоидные соединения, по свойствам, весь­ма похожие на бензол и его произ­водные, но не содержащие в своих молекулах бензольного цикла. Этих веществ становилось всё больше, вот почему теория органической химии остро нуждалась в чётких критери­ях ароматичности того или иного соединения.

ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ

Бензол Тиле.

 

Уже Кекуле, обобщив свойства бен­зола и родственных ему веществ, ввёл первый критерий — химический: аро­матические соединения легко обра­зуются в самых разных реакциях и устойчивы к действию окислителей. Кроме того, реакции присоединения по кратным связям у них протекают с трудом, а замещение атомов водоро­да в циклах на другие атомы или функциональные группы происходит легко.

Следующим шагом к утверждению понятия «ароматичность» стало введе­ние структурного критерия принад­лежности вещества к благородному се­мейству. Учёные установили, что циклическую молекулу можно считать ароматической, если она плоская, а длины всех углерод-углеродных связей в кольце равны и находятся в диапазо­не от 0,136 до 0,143 нм (1 нм=10-9м). Обнаружили и ещё один важный при­знак ароматических соединений: при замыкании в цикл энергия линейной молекулы с сопряжёнными двойными связями уменьшается. Процесс сопро­вождается выделением тепла и стаби­лизацией молекулы:

ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ

Изучая реакции гидрирования бен­зола и циклогексена, учёные обнару­жили, что бензол даже более стабилен, чем это предполагал Кекуле. Так, при гидрировании циклогексена (одна двойная связь в цикле) в циклогексан выделяется 119,7 кДж/моль тепла.

Логично было бы предположить, что при гидрировании самого бен­зола, считая, что он содержит три двойные связи, должно выделиться 119,7•3=359,1 кДж/моль тепла. Однако в действительности выделя­ется на 150,7 кДж/моль меньше. Раз­ницу между расчётным и экспе­риментальным значениями энергии назвали энергией стабилизации мо­лекулы бензола.

Дальнейшее развитие структур­ной теории привело к созданию но­вого раздела — квантовой химии и возникновению учения об электрон­ном строении молекул. В 1931 г. не­мецкий физик и химик-теоретик Эрих Хюккель (1896—1980) опубли­ковал работу, в которой обобщил все накопленные к тому времени теоретические представления об аро­матичности. Именно здесь было сформулировано квантово-химическое правило, получившее впос­ледствии имя исследователя: арома­тической является только плоская циклическая молекула, содержащая делокализованную (равномерно рас­пределённую по циклу) систему p-электронов, которых должно быть (4n+2), где n=0, 1, 2, 3, ...

Введённые Э. Хюккелем критерии основывались на квантово-химических расчётах для молекулы бензола как символа ароматичности. Таким образом была строго обоснована связь ароматичности бензола с наличием в его молекуле замкнутой системы из шести p-электронов (n=1). Стало оче­видным, что из всех графических формул бензола наиболее правильной можно считать формулу Кекуле. Одна­ко, как оказалось, в молекуле аромати­ческого «патриарха» нет меняющихся местами (осциллирующих) двойных и одинарных связей, а есть шестиатом­ный углеродный каркас из одинарных связей, дополнительно укреплённый общей для всей молекулы системой p-связей. При этом все углерод-угле­родные связи по длине одинаковы, а кратность каждой из них равна 1,5.

Дальнейшее развитие квантовой химии и электронных представлений о строении молекул органических ве­ществ привело к разработке теории гибридизации. В рамках этого учения загадочная молекула бензола оказа­лась элегантной конструкцией, состо­ящей из двух электронных систем — s- и p-связей.

Атомы углерода в молекуле бензо­ла находятся в sр2-гибридном состо­янии, образуя три гибридных облака, посредством которых они соединены между собой и с атомами водорода одинарными связями.

Так образуется p-система, составля­ющая углеродный остов молекулы. Перпендикулярно плоскости цикла у каждого из атомов находится чет­вёртое негибридизованное р-облако. Перекрываясь, все эти облака образу­ют ажурную p-систему, пронизываю­щую бензольный цикл насквозь.

А сама молекула бензола очень на­поминает бутерброд. Электронное изображение ароматического кольца даёт исчерпывающие объяснения всех необычных свойств бензола.

ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ



ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ

Теория Хюккеля позволила также предсказать ароматичность веществ, по строению совсем не похожих на бензол, — так называемых небензоидных соединений. В 1934 г. Хюккель применил своё правило к пяти- и шестичленным гетероциклам — фурану, тиофену, пирролу и пиридину, об ароматическом характере которых было известно давно. Выяснилось, что в молекулах этих веществ, как и у бен­зола, есть замкнутая p-система из шести электронов. В пятичленных циклах в её образовании участвует неподелённая электронная пара гетероатома (кислород, азот, сера), а в шестичленных такая пара не входит в p-систему. Все эти гетероциклы пред­ставляют собой изоэлектронные ана­логи бензола.

Правило Хюккеля не только слу­жит своего рода индикатором на ароматичность, но и позволяет объ­яснить ароматический характер та­ких необычных углеводородов, как азулен и 10-аннулен:

ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ

Их плоские циклические молеку­лы содержат p-системы с 10 электро­нами, что полностью соответствует квантово-химическому правилу и формуле (4n+2), при n=2.

Так дар теоретического предвиде­ния Кекуле, многолетний труд иссле­дователей, изучавших ароматические вещества, и скрупулёзные квантовохимические расчёты Хюккеля по­зволили не только постичь тайну строения молекулы бензола, но и утвердить понятие ароматичности, расширив его применительно ко всем циклическим структурам.



ТЕОРИЯ АРОМАТИЧНОСТИ

Система s-связей (1) и p-связей (2) бензола.



Источник: Мир Энциклопедий Аванта+
Авторы: Андрей Дроздов, Илья Леенсон, Дмитрий Трифонов, Денис Жилин, Александр Серов, Андрей Бреев, Андрей Шевельков, Вадим Ерёмин, Юлия Яковлева, Оксана Рыжова, Виктория Предеина, Наталья Морозова, Алексей Галин, Сергей Каргов, Сергей Бердоносов, Александр Сигеев, Оксана Помаз, Григорий Середа, Владимир Тюрин, Антон Максимов, Вячеслав Загорский, Леонид Каневский, Александр Скундин, Борис Сумм, Игнат Шилов, Екатерина Менделеева, Валерий Лунин, Абрам Блох, Пётр Зоркий, Александр Кури, Екатерина Иванова, Дмитрий Чаркин, Сергей Вацадзе, Григорий Серела, Анастасия Ростоцкая, Александр Серое, Анастасия Сигеева
Авторское право на материал
Копирование материалов допускается только с указанием активной ссылки на статью!

Похожие статьи

Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.