Номер 2, страница 257 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 46. Фенолы. Глава 4. Кислородсодержащие органические соединения - номер 2, страница 257.

Условие.

2. Изобразите предельные резонансные формы молекулы фенола. Объясните, почему вклад резонансных структур, в которых на атоме кислорода присутствует положительный заряд, минимален.

Решение.

Решение 2.

Изобразите предельные резонансные формы молекулы фенола.

Молекула фенола ($C_6H_5OH$) представляет собой гибрид нескольких резонансных (предельных) структур. Резонанс возникает из-за сопряжения неподеленной электронной пары атома кислорода гидроксильной группы с $\pi$-системой бензольного кольца. Это явление называется положительным мезомерным эффектом (+M-эффект).

Движение электронов начинается с одной из неподеленных пар кислорода, которая смещается для образования двойной связи $C=O$. Это, в свою очередь, вызывает смещение $\pi$-электронов в бензольном кольце, приводя к появлению отрицательного заряда в орто- и пара-положениях кольца и положительного заряда на атоме кислорода.

Основные резонансные структуры фенола (I-V) выглядят следующим образом:

Здесь структуры II, III и IV являются структурами с разделением зарядов. Структуры I и V — это две эквивалентные электронейтральные структуры (структуры Кекуле для фенола), которые являются наиболее стабильными.

Ответ: Предельные резонансные формы фенола включают основную нейтральную структуру и три структуры с разделением зарядов, в которых на атоме кислорода находится положительный заряд, а на орто- и пара-положениях бензольного кольца — отрицательный.

Объясните, почему вклад резонансных структур, в которых на атоме кислорода присутствует положительный заряд, минимален.

Вклад резонансных структур с положительным зарядом на атоме кислорода (структуры II, III, IV на рисунке выше) в общую электронную структуру молекулы фенола значительно меньше, чем вклад основной нейтральной структуры (I и V). Минимальным его называют в сравнении с основной структурой по двум главным причинам:

1. Наличие и разделение формальных зарядов. Наиболее стабильными и, следовательно, вносящими наибольший вклад в резонансный гибрид, являются структуры с наименьшим количеством формальных зарядов и их наименьшим разделением. Структуры I и V являются электронейтральными. Структуры II, III и IV содержат разделенные положительный и отрицательный заряды. Создание и разделение зарядов в молекуле требует затрат энергии, поэтому такие структуры менее стабильны, чем нейтральные.
2. Электроотрицательность атомов. Кислород — это высокоэлектроотрицательный элемент. Это означает, что он очень сильно притягивает к себе электроны и стремится удерживать их. В резонансных структурах II, III и IV на атоме кислорода находится положительный формальный заряд, что означает недостаток электронной плотности. Появление положительного заряда на высокоэлектроотрицательном атоме энергетически крайне невыгодно. Напротив, отрицательный заряд на менее электроотрицательном атоме углерода (как в этих же структурах) является более приемлемым. Таким образом, структуры с положительным зарядом на кислороде обладают значительно более высокой энергией и, как следствие, меньшей стабильностью.

Из-за этих двух факторов основной вклад в резонансный гибрид вносит нейтральная форма фенола. Тем не менее, вклад структур с разделением зарядов очень важен, так как именно он объясняет многие химические свойства фенола, например, его более высокую кислотность по сравнению со спиртами и то, что гидроксильная группа является орто-, пара-ориентантом в реакциях электрофильного замещения.

Ответ: Вклад резонансных структур с положительным зарядом на атоме кислорода минимален по сравнению с основной нейтральной формой, потому что: 1) эти структуры имеют разделение зарядов, что энергетически менее выгодно, чем электронейтральное состояние; 2) размещение положительного заряда на высокоэлектроотрицательном атоме кислорода делает эти структуры особенно нестабильными.