ГДЗ по химии, 10 класс, Еремин, номер 56.2: Гетероциклические соединения

Соединение является ароматическим, если оно удовлетворяет следующим условиям:

• Цикличность: Молекула должна содержать замкнутый цикл.
• Плоскость: Все атомы цикла должны лежать в одной плоскости (или быть близки к ней).
• Сопряжение: Каждый атом цикла должен иметь негибридизованную p-орбиталь, перпендикулярную плоскости кольца, что обеспечивает непрерывное перекрытие орбиталей (β-система).
• Число электронов: Система должна содержать (4n+2) β-электронов, где n — целое неотрицательное число (0,1,2,ββ). Это правило Хюккеля.

Пиррол представляет собой пятичленное кольцо, содержащее четыре атома углерода и один атом азота.

• Гибридизация: Атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Атом азота также имеет sp²-гибридизацию (хотя формально он может рассматриваться как sp³, для участия в ароматической системе его неподеленная электронная пара занимает p-орбиталь).
• β-электроны: Четыре атома углерода дают по одному электру на p-орбиталях (всего 4 электрона от двойных связей C=C). Неподеленная электронная пара атома азота находится на p-орбитали и участвует в сопряжении, добавляя еще 2 электрона.
• Подсчет: Общее число β-электронов равно 4+2=6.
• Проверка правила Хюккеля: Для n=1: 4(1)+2=6. Условие выполняется.
• Геометрия: Молекула плоская, все атомы имеют p-орбитали.

Вывод: Пиррол является ароматическим соединением.

Имидазол — это пятичленное кольцо с двумя атомами азота: один из них «пиррольного» типа (связан с водородом), другой — «пиридинового» типа (с двойной связью внутри кольца).

• Азот пиррольного типа (NH): Его неподеленная электронная пара находится на p-орбитали и включается в общую β-систему, давая 2 электрона.
• Азот пиридинового типа (=N-): Он образует двойную связь с углеродом. Один электрон этой связи участвует в β-системе. Его неподеленная электронная пара находится на sp²-орбитали в плоскости кольца и не участвует в ароматическом сопряжении.
• Углероды: Три атома углерода вносят по одному электру каждый (всего 3 электрона от связей C=C и C=N).
• Подсчет: Суммарное число β-электронов: 2 (от NH) +1 (от =N-) +3 (от C) =6 электронов.
• Проверка правила Хюккеля: 6 электронов соответствуют формуле 4n+2 при n=1.
• Геометрия: Все атомы цикла sp²-гибридизованы, молекула плоская.

Вывод: Имидазол является ароматическим соединением.

Индол состоит из конденсированных бензольного и пиррольного колец. Бензольное кольцо содержит 6 β-электронов, пиррольное — 6 β-электронов. Однако при конденсации они образуют единую сопряженную систему.

• Структура: В индоле 9 атомов цикла (8 углеродов и 1 азот) лежат в одной плоскости. Каждый атом имеет p-орбиталь.
• Подсчет электронов: Можно рассматривать индол как производное бензола, где одна группа CH заменена на группу NH (пиррольный тип), но более корректно считать всю β-систему.
  Бензольное ядро дает 6 электронов. Пиррольное ядро само по себе дает 6 электронов. При слиянии колец общая система содержит 10 β-электронов.
  Давайте посчитаем точнее:
  • Атом азота (пиррольного типа) дает 2 электрона (неподеленная пара в p-орбитали).
  • Остальные 8 атомов углерода в цикле участвуют в образовании двойных связей или являются частью ароматического sextet. В общей сопряженной системе на p-орбиталях всех 9 атомов цикла находится 10 электронов.
• Проверка правила Хюккеля: Число электронов 10. Формула 4n+2=10 выполняется при n=2 (4×2+2=10).
• Геометрия: Молекула плоская, непрерывное перекрытие p-орбиталей по всему контуру двух колец.

Вывод: Индол является ароматическим соединением.