Benzen i aromatyczność

To będzie dość hardkorowy temat, nic dla dusz o słabych nerwach. Ale nie ja Wam to zgotowałem, to egzaminatorzy CKE los. Oni doskonale wiedzą, że doskonale znacie istotę rezonansu chemicznego, potraficie świetnie przedstawiać wzory cząsteczek oraz dobrze ogarniacie orbitale, aby teraz bez problemu przejść do opisu budowy benzenu[1].

A nie, moment… Nie było tego na maturze (w oficjalnych wymaganiach)! Aaa, czyli wszystko jasne. Jedziemy z wyjaśnianiem tematu, którego nie ma szans zrozumieć na podstawie maturalnym.

Podświetlony fragment to ten najśmieszniejszy.

0. Aromatyczność

Umiejętność określenia czy dany związek jest aromatyczny jest dla nas bardzo istotny, ponieważ dzięki temu będziemy wiedzieli dużo na temat jego reaktywności oraz też w jaki sposób w ogóle będzie reagował.

Dany związek będzie aromatyczny, jeżeli będzie spełniał WSZYSTKIE cztery kryteria. Każde z nich będzie omówione osobno, na tyle, na ile damy radę.

  1. Związek musi być cykliczny
  2. Związek musi być płaski
  3. Związek musi być sprzężony
  4. Związek musi spełniać regułę Hückla

1. Cykliczny

Jeżeli cząsteczka nie jest cykliczna, to na pewno NIE JEST aromatyczna. Jeśli natomiast jest, to dopiero jedno kryterium jest spełnione − nie każda cykliczna cząsteczka jest aromatyczna.

Oto pierwsze kryterium aromatyczności

Aby związek był aromatyczny to musi być cykliczny, ale to tylko jedno z wymagań!

Benzen jest cząsteczką cykliczną, co do tego nie ma wątpliwości. To jest jedyne łatwe kryterium i dlatego od niego zaczęliśmy, także nie rozluźniaj się jeszcze. Pełne skupienie!

2. Płaski

Kolejne kryterium na szczęście na maturalnym poziomie również jest łatwe. Jeśli chcemy, żeby nasz związek był aromatyczny, to musi być płaski i nie ma zmiłuj. W praktyce sprowadza się to do tego, aby każdy atom obecny w pierścieniu miał hybrydyzację sp2. Jak pamiętamy z tego tematu, odpowiadało to budowie płaskiej trójkątnej (trygonalnej).

Każdy atom węgla w benzenie jest taki sam (ładnie powiedziane : równocenny) i każdy z nich ma hybrydyzację sp2, a sama cząsteczka benzenu jest płaska. Pozostałe związki też są płaskie, ponieważ posiadają ten sam pierścień, a podstawnik (np. grupa ーOH) już nie wchodzą w skład tego pierścienia, więc nieważne jaka tam jest hybrydyzacja.

Na koniec jeszcze rysunek, który stara się uchwycić „płaskość benzenu”.

Benzen jest płaski jak moneta − ma swoją stronę górną i dolną, niczym orzeł i reszka.

Ok, teraz dodatkowe pytanie. Na samym początku wymieniliśmy taki związek jako aromatyczny (nazywa się on pirol). Jaka jest hybrydyzacja atomu azotu ?

Pirol z pokazaną wolną parą elektronową .

Sp3 mówisz? No to by wskazywało na to, że taki związek nie jest aromatyczny, bo przecież wszystkie kryteria aromatyczności jednocześnie musiały być spełnione! Okazuje się, że po prostu źle powiedziałeś, a hybrydyzacja tam jest sp2 i wszystko dalej działa. Tylko dlaczego[2] ?

3. Sprzężony

Kolejne kryterium, które sobie uprościmy na maturalne potrzeby to sprzężenie. Zdefiniujemy je sobie jako obecność naprzemiennych wiązań pojedynczych (CーC) i podwójnych (C=C) pomiędzy atomami (najczęściej węgla). Oczywiście najlepiej zobaczyć to na przykładach :

Przykłady związków sprzężonych i niesprzężonych. Jak widzisz po cykloheksa−1,3−dienie nie wszystkie atomy węgla muszą być sprzężone, wystarczy, że jest taki fragment C=CーC=C (do samego kryterium sprzężenia, inaczej będzie dla aromatyczności!)

Żeby cząsteczka była aromatyczna, wszystkie elektrony obecne w pierścieniu muszą być sprzężone, czyli mówiąc po ludzku, mamy mieć ciągły, naprzemienny układ wiązań : pojedyncze, podwójne, pojedyncze, podwójne itd.

Tylko i wyłącznie po to, aby rozbudzić Twoją ciekawość[3], znów wrócimy do aromatycznego pirolu. Przecież w nim nie ma sprzężenia, tam przy azocie jest problem !

Dwa wiązania podwójne ,,pod rząd” w pirolu, czyli nie jest on sprzężony ?

4. Spełnia regułę Hückla

Czwarte kryterium jest bardzo proste do oceny, jednak znacznie trudniejsze do wyjaśnienia. Okazuje się, że aby związek był aromatyczny to musi posiadać 4n + 2 elektronów pi. To właśnie jest tak zwana reguła Huckla.

Reguła Hückla − związek aromatyczny posiada 4n + 2 elektronów 𝜋.

Spełnienie reguły Hückla jest jednym z warunków aromatyczności.

Co to jest reguła Huckla ?

Na razie zajmijmy się samym liczeniem tych elektronów, bo to wcale nie jest takie proste. 

Najczęstszy błąd − chęć podstawiania do wzoru liczby elektronów za literkę n , natomiast to ją trzeba tutaj obliczyć! Jeśli n jest liczbą naturalną (0,1,2,3…) to reguła Hückla jest spełniona.

Ucz się na cudzych błędach[4]!

Liczymy elektrony pi
Cząsteczkabenzennaftalencyklobutadien
Liczba
elektronów pi
6104
Równanie4n + 2 = 64n + 2 = 104n + 2 = 4
Rozwiązanien = 1n = 2n = ½
Przykładowe postępowanie, kiedy chcemy ocenić czy reguła Hückla jest spełniona.

Ok, ok, ale skąd biorą się te liczby elektronów pi, jak to ustalić ? Przypomnijmy sobie co to było wiązanie podwójne C=C :

Każde wiązanie pi to dla nas dwa elektrony pi, co będzie nam potrzebne do reguły Huckla!

Na wszelki wypadek chciałbym, abyś zerknął na jeszcze inny rysunek[5].

Mało kto pamięta, że  n  może wynosić zero, ale szansa na pojawienie się pochodnej cyklopropanu na maturze jest moim zdaniem nikła. Poniżej znajdują się przykłady z podpisaną liczbą elektronów. W ramce zaznaczono związki spełniające regułę Hückla, natomiast na szaro są te, której reguły nie spełniły (wartość ,,n” wówczas wychodzi niecałkowita).

Spróbuj sam ustalić liczbę elektronów pi oraz ocenić czy reguła Hückla dla danego związku jest spełniona.

.


[1] Temat aromatyczności jest jednym z trudniejszych w całej chemii organicznej, moim skromnym zdaniem. To o czym dzisiaj powiemy obstawiam, że będzie Ci się wydawało trudne, pomimo moich najszczerszych starań, a uwierz mi, że to wciąż wiedza bardzo, bardzo podstawowa. Zabawa zaczyna się dopiero wtedy, gdy zaczniemy całość ogarniać na orbitalach. Potem dochodzą takie radosne kwestie jak homoaromatyczność (nawet nie ma na polskiej wikipedii…) czy podwójna aromatyczność (sigma oraz pi). Albo fakt, że istnienie jonu H3+ można właśnie wytłumaczyć przez aromatyczność... W ogóle aromatyczność w chemii organicznej jest jak liczba pi w matematyce − pojawia się znikąd, w najmniej spodziewanych momentach, przez co jest piekielnie ciekawa, ale tak samo trudna.

[2] Nie, przykro mi. Jeśli nie chcesz, by ten post miał 6000 słów, to daj spokój.

[3] No dobrze, jak tak prosisz, to ciężko mi tak być obojętnym na Twój głód wiedzy. Poruszę to w osobnym temacie dodatkowym.

[4] Ten błąd w sumie trochę dziwi, bo jeśli np. w takim benzenie wyliczysz sobie, że jest 6 elektronów 𝜋 i podstawisz to do wzoru, to wyjdzie Ci :

4n + 2 = 4 • 6 + 2 = 26 … i co dalej ?

No właśnie nic! Więc to literkę n trzeba obliczyć. Kto wie, być może jeśli ta reguła byłaby sformułowana jako 4x + 2 , to uruchomiłby się w nas matematyczny instynkt, bo przecież x jest zawsze niewiadomą, którą trzeba obliczyć! Tutaj jest tak samo, to jest zwykłe równanie, które trzeba rozwiązać!

[5] Każde wiązanie (spotykane na maturze of course!) to dwa elektrony, także to niebieskie sigma. Dlatego tylko dla mojej pewności chcę Ci pokazać jeszcze ten rysunek :

Wiązanie sigma rozpisane tutaj jako ,,niebieskie elektrony”. Po prostu do reguły Hückla nas interesują tylko elektrony pi, dlatego nie zostały one pokazane na pierwszym rysunku.

2 thoughts on “Benzen i aromatyczność

  1. Cześć, dzięki za ten wpis, wiele mi w głowie wyjaśnił. A czy powstał może wpis dodatkowy odnoszący się do [3]?

    1. Cześć 🙂 . Jeszcze nie ma tego wpisu, bo jest mocno dodatkowy, a na razie skupiłem się na pokryciu całego materiału obowiązkowego. Teraz mam intensywny okres, bo Olimpiada Chemiczna trwa w najlepsze, ale od lutego będzie więcej czasu i nadrobię zaległości 🙂

Leave a Reply

%d bloggers like this: