Номер 2, страница 325 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 56. Гетероциклические соединения. Глава 5. Азот- и серосодержащие органические соединения - номер 2, страница 325.

Условие.

2. Сформулируйте критерий ароматичности и примените его к анализу пиррола, имидазола, индола.

Решение.

Решение 2.

Критерии ароматичности

Ароматичность — это совокупность особых химических и физических свойств, характерных для некоторых циклических соединений с системой сопряженных связей. Чтобы соединение считалось ароматическим, оно должно одновременно удовлетворять четырем основным критериям, известным как правила Хюккеля:
1. Циклическая структура: Молекула должна иметь циклическое строение.
2. Плоская геометрия: Все атомы, формирующие цикл, должны лежать в одной плоскости. Это обеспечивает максимальное боковое перекрывание p-орбиталей.
3. Непрерывная сопряженная π-система: Каждый атом в цикле должен предоставлять одну p-орбиталь, перпендикулярную плоскости цикла. Эти p-орбитали должны образовывать единую, непрерывную (замкнутую) сопряженную систему. Обычно это атомы в состоянии sp²- или sp-гибридизации.
4. Правило Хюккеля: Общее число π-электронов в этой сопряженной системе должно подчиняться формуле $N = 4n + 2$, где n — целое неотрицательное число (0, 1, 2, ...).

Применим данные критерии для анализа пиррола, имидазола и индола.

Анализ пиррола

Пиррол (C₄H₅N) — пятичленный азотсодержащий гетероцикл.
1. Структура: Молекула является циклической.
2. Геометрия: Молекула плоская, все атомы цикла лежат в одной плоскости.
3. Сопряженная система: Все четыре атома углерода и атом азота находятся в состоянии sp²-гибридизации. Каждый атом углерода предоставляет в общую π-систему по одному электрону со своей p-орбитали. Атом азота предоставляет свою неподеленную электронную пару (2 электрона) на p-орбиталь, участвуя в сопряжении. Таким образом, формируется замкнутая сопряженная система из пяти p-орбиталей.
4. Правило Хюккеля: Общее число π-электронов равно сумме электронов от четырех атомов углерода и двух электронов от атома азота: $N = 4 \cdot 1 + 2 = 6$. Подставим это значение в формулу: $6 = 4n + 2$. Отсюда $4n = 4$, и $n = 1$. Поскольку $n$ является целым числом, правило Хюккеля выполняется.

Ответ: Пиррол является ароматическим соединением, так как его молекула циклическая, плоская, имеет непрерывную сопряженную систему и содержит 6 π-электронов ($n=1$), что удовлетворяет правилу Хюккеля.

Анализ имидазола

Имидазол (C₃H₄N₂) — пятичленный гетероцикл с двумя атомами азота.
1. Структура: Молекула является циклической.
2. Геометрия: Молекула плоская.
3. Сопряженная система: Все пять атомов цикла (три атома C и два атома N) sp²-гибридизованы. Атом азота, связанный с водородом (N-1, "пиррольного" типа), отдает в π-систему свою неподеленную пару (2 электрона). Другой атом азота (N-3, "пиридинового" типа), участвующий в двойной связи, отдает один π-электрон; его неподеленная пара находится на sp²-гибридной орбитали в плоскости кольца и в сопряжении не участвует. Три атома углерода также дают по одному π-электрону. В результате образуется непрерывная сопряженная система.
4. Правило Хюккеля: Общее число π-электронов составляет: $3 (\text{от C}) + 1 (\text{от N-3}) + 2 (\text{от N-1}) = 6$. Проверяем по правилу: $6 = 4n + 2$, что дает $n = 1$. Правило выполняется.

Ответ: Имидазол является ароматическим соединением, так как он удовлетворяет всем критериям ароматичности, включая правило Хюккеля, имея 6 π-электронов ($n=1$).

Анализ индола

Индол (C₈H₇N) — это бициклическое соединение, в котором бензольное кольцо сконденсировано с пиррольным.
1. Структура: Структура является циклической (бициклическая система).
2. Геометрия: Молекула в целом плоская.
3. Сопряженная система: Все девять атомов (восемь атомов C и один атом N), образующие скелет молекулы, находятся в sp²-гибридизации. Их p-орбитали образуют единую сопряженную π-систему, охватывающую оба кольца.
4. Правило Хюккеля: Ароматичность определяется для всей сопряженной системы. Восемь атомов углерода дают 8 π-электронов. Атом азота, как и в пирроле, предоставляет неподеленную электронную пару (2 электрона). Общее число π-электронов равно $N = 8 + 2 = 10$. Проверяем по формуле: $10 = 4n + 2$. Отсюда $4n = 8$, и $n = 2$. Поскольку $n$ является целым числом, правило выполняется.

Ответ: Индол является ароматическим соединением, так как его бициклическая система является плоской, полностью сопряженной и содержит 10 π-электронов ($n=2$), что удовлетворяет правилу Хюккеля.