Ароматическое строение; энергия резонанса (сопряжения) на примерах: бензол, нафталин, гетероциклические соединения

Среди соединений, содержащих замкнутую сопряженную систему π-электронов, интересны ароматические соединения. Несмотря на высокую сте­пень ненасыщенности, ароматические соединения устойчивы к действию окислителей и температуры, они более склонны вступать в реакции замеще­ния, а не присоединения. Эти соединения обладают повышенной термодина­мической стабильностью по сравнению с сопряженными системами с откры­той цепью. Известна также тенденция некоторых циклических соединений превращаться при благоприятных условиях в ароматические.

К ароматическим соединениям прежде всего относятся бензол и вещест­ва, сходные с ним. Но могут иметь и существенно отличающуюся структуру. Замкнутая цепь может состоять не только из ¹²С (карбоциклы), но и содержать гетероатомы (гетероциклы). Единая замкнутая система π-электронов может образовываться посредством как π,π-, так и р,π-сопряжения. Совокупность характерных свойств сопряженных систем была объеди­нена понятием ароматичности. В 1865 г. Ф. А. Кекуле предложил описывать бензол при помощи двух структур, между которыми ос­циллирует молекула бензола. Но индивидуальная структура Кекуле не может объяс­нить симметрию и характерную реакционную способность бензола. Бензол представляет собой плоский правильный шестиугольник с валентными углами 120°. Все ¹²С-¹²С связи равноценны, длина их составляет 0,139 нм, т. е. является промежуточной между длинами одинарной и двойной связей. Все ¹²С находятся в sp²-гибридизации, и все σ-связи С—С и С—Н в одной плоскости.

Каждый ¹²С в молекуле бензола имеет одну негибридизованную р-орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ-скелету и параллельно друг другу. При их взаимном перекрывании образуется единое π-электронное облако, т. е. осуществляется круговое сопряжение. π-Электронная плотность равномерно распределена по всей циклической системе.

Определение теплот сгорания или гидрирования циклических соединений и сравнение экспериментальных значений с рассчитанными, исходя из пред­положения, что соединение содержит только изолированные двойные связи, является одним из доказательств ароматичности. При гидрировании циклогексена до циклогексана выделяется 120 кДж/моль теплоты.

Если представить бензол структурой Кекуле с тремя двойными связями, то теплота гидрирования бензола должна быть в три раза больше теплоты гидрирования циклогексена:

Экспериментально определяемая величина намного меньше. Следователь­но, бензол обладает меньшей энергией, чем гипотетический циклогексатриен. 151 кДж/моль - эмпирическую энергию сопряжения (энергию делокализации). Для бензола энергия сопряжения на порядок выше, чем для бутадиена-1,3. Чтобы нарушить ароматическую систему бензола, нужно затратить количество энер­гии, равное этому значению.

Критерии ароматичности. На основании теоретических расчетов и экс­периментального изучения циклических сопряженных систем было установ­лено, что соединение ароматично, если оно имеет:

• плоский циклический σ-скелет;

• сопряженную замкнутую π-электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую 4п + 2π- электронов, где п = 0, 1, 2, 3 и т. д. – правило Хюккеля.

Критерии ароматичности позволяют отличать сопряженные ароматические системы от всех других. Бензол содержит секстет π-электронов и соответствует правилу Хюккеля при п = 1.

Конденсированные ароматические системы. Правило Хюккеля было сформулировано для плоских моноциклических систем. Но его можно приме­нить и к плоским конденсированным системам, в которых нет атомов, являю­щихся общими более чем для двух циклов. К таким системам относятся мно­гоядерные ароматические углеводороды — нафталин, антрацен, фенантрен:

В этих соединениях все атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибри­дизации, циклический σ-скелет плоский, π-электронное облако охватывает все атомы углерода циклов, число π-электронов подчиняется правилу Хюкке­ля. В конденсированных аренах нет полной выравненности электронной плотности, и они менее термодинамически стабильны.

Многие ароматические полициклические углеводороды обладают канце­рогенными свойствами и интенсивно изучаются в связи с проблемами возник­новения и профилактики рака. Некоторые канцерогенные ароматические со­единения обнаружены в табачном дыме.

Небензоидные ароматические соединения. Существуют циклические сопряженные системы, не содержащие шестичленных циклов, но соответст­вующие критериям ароматичности и обладающие ароматическими свойства­ми. Правило Хюккеля не ограничивает проявление ароматичности только нейтральными частицами. Ароматическими могут быть карбанионы и карбокатионы.

Нейтральная молекула циклопентадиена не является ароматической, (один ¹²С в sp³-гибридизации и не имеет р-АО, цикл не плоский). Атомы водорода метиленовой группы весьма подвижны. При дейст­вии на циклопентадиен натрием в тетрагидрофуране или гидридом натрия в 1,2-диметоксиэтане отщепляется протон и образуется циклопентадиенид-ион:

После разрыва связи С—Н у ¹²С остается два электрона. Теперь все атомы углерода находятся в sp²-гибридном состоянии, в молекуле имеются плоский циклический σ-скелет и единая замкнутая сопряженная система, со­держащая на пяти p-орбиталях шесть π-электронов. Это соответствует всем критериям ароматичности. Чтобы отра­зить равномерное распределение «-» заряда, циклопентадиенид-ион изображают структурой с кружком и знаком «минус» в кружке:

Циклопентадиенид-ион это π-избыточная система, высту­пать донором электронной плотности по отношению к атомам или молекулам с вакантными орбиталями. Он образует с ионами металлов металлоцены (ферроцен). В ферроцене ион железа находится на равном расстоянии между двумя па­раллельными плоскостями циклопентадиенид-ионов - «сендвичевая структура». Производное ферроцена — ферроцерон — стимулирует процессы кроветворения и применяется при анемиях.

Циклогептатриен — циклическая система, содержащая семь ¹²С и 6 π-электронов. И в этом случае ¹²С метиленовой груп­пы находится в состоянии sp³-гибридизации и не имеет p-орбитали. При от­щеплении от метиленовой группы водорода в виде гидрид-иона образуется циклогептатриенил-катион (тропилий-катион):

В тропилий-катионе седьмая р-орбиталь вакантна и перекрывается с соседними p-орбиталями с образованием единой со­пряженной системы. Он удовлетворяет критериям ароматич­ности. Положительный заряд равномерно распределяется по всей системе. Се­мичленное кольцо лежит в одной плоскости, расстояния С—С равны 0,140 нм. В природе распространена семичленная ароматическая система трополона. Некоторые производные трополона являются природны­ми антибиотиками — фунгицидами.

Еще одним примером небензоидных ароматических соединений - азулен. Это углеводород, содержащий конденсирован­ные семичленный и пятичленный циклы. Каждый из 10 ¹²С находится в состоянии sp²-гибридизации. Единая сопряженная систе­ма содержит 10 π-электронов. Азулен ароматичен и обладает высокой энерги­ей стабилизации (180 кДж/моль). В отличие от других ароматических углево­дородов, азулен (I) обладает дипольным моментом. Наличие дипольного момента заставляет предполагать, что значительный вклад в строение азулена вносит структура (II), в которой одно кольцо представляет собой циклопентадиенид-ион, а второе — ароматический тропилий-катион: