- •I.4. Диены
- •I.4.1. Диены с кумулированными двойными связями
- •I.4.2. Диены с сопряженными двойными связями
- •I.4.3. Диены с изолированными двойными связями
- •I.4.4. Некоторые сведения о перициклических реакциях.
- •I.4.5. Природные диены и полиены.
- •I.5. Алкины
- •I.5.1. Получение алкинов.
- •I.5.2.1. Реакции с разрывом тройной связи
- •I.5.2.2. Реакции с сохранением тройной связи.
- •I.6. Арены
- •I.6.1. Основные типы ароматических структур
- •I.6.2. Арены, содержащие бензольные циклы.
- •Свойства аренов
- •Химические свойства аренов
I.6.1. Основные типы ароматических структур
Известно достаточно большое число структур, удовлетворяющих правилу Хюккеля и проявляющих ароматические свойства.
I. Карбоциклические структуры
А. Нейтральные молекулы. Главной структурой этого типа, конечно, является бензол. Помимо бензола можно упомянуть еще две структуры:
[14]-аннулен (187) и [18]-аннулен (188):
Э
ти
системы удовлетворяют правилу Хюккеля
по числу π-электронов при n=3
для (187) и n=4
для (188). Особо стоит отметить, что в
отличие от бензола, в аннуленах часть
двойных связей имеет транс-конфигурацию
(если бы все они имели цис-конфигурацию,
в плоских
циклах
возникло бы угловое напряжение) и поэтому
часть атомов водорода направлена внутрь
цикла. В аннуленах (187) и (188) эти «внутренние»
атомы находятся на достаточном удалении
друг от друга и не препятствуют плоской
структуре цикла (что необходимо по
правилу Хюккеля). Иная картина наблюдается
для [10]-аннулена, который по
числу электронов
удовлетворяет правилу Хюккеля (n=2);
однако, в отличие от структур (187) и (188),
при плоском расположении цикла
«внутренние» атомы водорода были бы
сильно сближены; их взаимное отталкивание
приводит к неплоскому
строению соединения (189), т.е. к несоответствию
правилу Хюккеля. Действительно, свойства
аннуленов (187) и (188) (в частности, данные
спектров ЯМР) указывают на их ароматический
характер, в то время как свойства аннулена
(189) указывают на отсутствие ароматичности.
Б. Ионные структуры. Существует ряд карбокатионных и карбанионных структур, удовлетворяющих правилу Хюккеля и, следовательно, имеющих ароматический характер. Три наиболее важные из них – катион циклопропенилия (190), циклопентадиенил-анион (191) и катион тропилия (192):
В
катионе циклопропенилия имеется 2
π-электрона, которые сопряжены с вакантной
орбиталью;
это удовлетворяет правилу Хюккеля для
n=0.
В анионе циклопентадиенилия 4
π-электрона двойных связей и 2 р-электрона
анионного центра образуют циклическую
сопряженную 6-электронную систему. В
катионе тропилия 6 π-электронов сопряжены
с вакантной орбиталью. Разумеется,
вследствие циклического сопряжения
заряды в этих системах равномерно
распределены между всеми атомами
углерода циклов.
Диаграммы
Фроста (190’) – (192’) подтверждают
ароматический характер этих соединений:
Все электроны в данных ионах находятся на связывающих орбиталях.
Ионные структуры, даже имеющие ароматический характер, значительно менее устойчивы, чем нейтральные, даже неароматические молекулы. Ароматический характер этих ионов выражается прежде всего в том, что они заметно устойчивее других ионов, не имеющих ароматического характера. Например, циклопентадиен проявляет заметные СН-кислотные свойства ( он является на 10 порядков более сильной кислотой, чем ацетилен): при его депротонировании образуется циклопентадиенил-анион. Соответственно циклогептатриен достаточно легко отщепляет гидрид-ион, т.к. при этом образуется циклогептатриенил-катион.
Карбоциклические ароматические структуры, отличные от бензола, часто называют небензоидными ароматическими системами.
II. Гетероциклические системы.
Известно большое число гетероциклических структур, удовлетворяющих правилу Хюккеля; они могут содержать один, два или более гетероатомов. Ниже приведено несколько наиболее распространенных гетероциклических ароматических структур:
В
се
эти структуры содержат «ароматический
секстет» электронов. В 5-член- ных
гетероциклах – фуране (193), пирроле
(194), тиофене (195), оксазоле (197), имидазоле
(198), тиазоле (199) – в сопряжении находятся
4 π-электрона двух двойных связей и 2
р-электрона (неподеленная пара)
гетероатома. В 6-членнных гетероциклах
– пиридине (196) и пиримидине (200) в
сопряжении находятся 6 π-электронов –
вполне аналогично бензолу.
Выше были представлены моноциклические ароматические карбо- и гетероциклические структуры. Известно большое число ароматических соединений, содержащих два или более ароматических цикла. Эти циклы могут быть а. изолированными; б. соединенными простой связью; в. конденсированными. В качестве примеров соединений первых двух типов можно привести трифенилметан (201) и дифенил (202):
Наибольшее
значение имеют системы с конденсированными
ароматическими циклами. Ниже приведены
несколько таких систем:
Э
то
нафталин (203), антрацен (204), хинолин (205),
пурин (206). Делокализация электронной
плотности в этих системах не столь
совершенна, как в бензоле, следовательно,
выигрыш в энергии меньше; тем не менее,
этот выигрыш значителен, и ароматические
свойства четко проявляются. Обращает
на себя внимание, что в молекуле антрацена,
представленной формулой (204), один из
циклов (левый) не является бензольным,
а имеет другое (орто-хиноидное) строение
(в другой резонансной структуре антрацена
таким циклом будет правый). Такое строение
придает специфику свойствам антрацена.
Любопытной конденсированной ароматической системой является азулен (207) – конденсированные циклогептатриеновый и циклопентадиеновый циклы, для которого можно представить резонансные структуры [(207’) и т.д.] , сочетающие катион тропилия и анион циклопентадиенилия:
[
гибридная
биполярная структура (207’’)].
К своеобразным конденсированным ароматическим структурам можно отнести две аллотропные модификации углерода («углеродные кластеры»).
Одна
из них - графит;
он включает плоские параллельно
ориентированные слои, построенные из
конденсированных 6-членных циклов,
подобных бензольным (здесь уместен
именно термин «подобный бензольным»,
поскольку часть циклов имеет хиноидное
строение, подобно тому, что наблюдается
в антрацене). На приведенной ниже схеме
изображен фрагмент плоского слоя:
Второй модификацией является недавно полученный фуллерен. Он представляет собой сферическую молекулу, содержащую 60 атомов углерода (С60), построенную из конденсированных 20 шестичленных и 12 пятичленных циклов; все атомы углерода находятся в sp2-гибридном состоянии, электронная плотность делокализована.
Ч
исто
внешне формула фуллерена напоминает
футбольный мяч; по этой причине одно
время его иногда называли футболеном.
В отличие от высокомолекулярного графита, фуллерен достаточно легко вступает в химические реакции, образуя различные функциональные производные; наличие в них сферической структуры придает этим соединениям весьма специфические, в том числе практически полезные, свойства. Химия фуллерена в последнее десятилетие развивается весьма интенсивно.
Циклические сопряженные неароматические системы.
Рассмотрим несколько циклических сопряженных систем, не удовлетворяющих правилу Хюккеля по числу электронов.
Некоторые из них являются антиароматическими, т.е. обладают пониженной стабильностью; это плоские циклические системы, в которых вынуждена делокализация с образованием «плохого» набора молекулярных орбиталей. Один из примеров – циклобутадиен – был рассмотрен выше. Другими антиароматическим системами являются циклопропенил-анион (208) и циклопентадиенилий-катион (209), содержащие по 4 π электрона:
Д
ействительно,
циклопропенил-анион менее устойчив,
чем циклопропил-анион.
Представителем другого типа циклических «анти-хюккелевских» систем является циклооктатетраен (210), содержащий 8 π-электронов. Эта система может быть неплоской и именно таковой и является. Поэтому циклооктатетраен не проявляет антиароматических свойств (нет делокализации и, следовательно, «плохого набора» молекулярных орбиталей), т.е. не является нестабильным; однако для него не наблюдается и стабилизации, характерной для ароматических и, вообще, плоских сопряженных систем; для него характерно химическое поведение, сходное с поведением алкенов.
