Select Page

Мезомерный эффект, или как рисовать резонансные (граничные) структуры

Если с индуктивным эффектом обычно проблем не бывает, то второй тип электронных эффектов гораздо труднее поддается освоению. Это очень плохо. Теория резонанса (мезомерия) была и остается одним из важнейших инструментов обсуждения структуры и реакционной способности органических соединений и заменить ее нечем. А как же квантовая наука?! Да, правда, в нашем веке стали легкодоступными квантово-химические расчеты, и теперь каждый исследователь или даже студент, потратив весьма немного времени и сил, может бесплатно раскочегарить на своем компьютере расчеты, уровню которых еще 20 лет назад позавидовали бы все нобелевские лауреаты. Увы, результаты расчетов не так просто использовать – они плохо поддаются качественному анализу и зрительно не очень понятны. Сидеть и смотреть на бесконечные столбики цифр и рассматривать запутанные и перегруженные картинки орбиталей и электронной плотности можно долго, но пользу из этого извлекают немногие. Старая добрая теория резонанса в этом смысле гораздо эффективнее – она быстро и довольно надежно дает именно качественный результат, позволяет видеть, как распределена электронная плотность в молекуле, найти реакционные центры, оценить устойчивость важных частиц, участвующих в реакциях. Поэтому без умения нарисовать резонансные структуры, оценить их вклад, и понять, на что влияет делокализация, никакой разговор об органической химии невозможен.

Есть ли разница между понятиями мезомерии и резонанса? Была когда-то, но уже давно не имеет значения – сейчас это интересно только историкам химии. Будем считать, что эти понятия взаимозаменимы, можно использовать какое-то одно или оба в любых пропорциях. Один нюанс есть – когда говорят не о делокализации в общем, а об электронном эффекте заместителя, предпочитают термин мезомерный эффект (и обозначают соответственно буквой M). Кроме того, еще используют и слово “сопряжение” (точнее, π-сопряжение).

И когда возникает эта мезомерия? Это понятие применимо только к π-электронам и только в том случае, если в молекуле есть хотя бы два атома с такими электронами, расположенные рядом. Атомов таких может быть сколько угодно, хоть миллион, и расположены они могут быть не только линейно, но и с любыми разветвлениями. Необходимо только одно – чтобы они были рядом, образовывали неразрывную последовательность. Если последовательность линейна, она называется “цепью сопряжения”. Если разветвлена, это усложняет дело, так как возникает не одна цепь сопряжения, а несколько (это называется кросс-сопряжение), но на этом этапе про это можно не думать, мы не будем внимательно рассматривать такие системы. Важно, что любой атом без π-электронов прерывает такую последовательность (цепь сопряжения), или разрывает ее на несколько независимых.

На каких атомах есть π-электроны?

  • а) на атомах, участвующих в кратной (двойной, тройной) связи – на каждом таком атоме один π-электрон;
  • б) на атомах неметаллов 5-7 групп (азот, кислород, и т.п.) в большинстве случаев, кроме атомов азота аммониевого типа и похожих на них так называемых ониевых атомах, у которых просто нет свободных неподеленных пар);
  • в) на атомах углерода с отрицательным зарядом (в карбанионах).

Кроме этого в сопряжении участвуют пустые π-орбитали в атомах с 6-ю валентными электронами (секстетных атомах): бора, углерода с положительным зарядом (в карбениевых ионах), а также аналогичных частицах с атомами азота, кислорода (это пока отложим в сторону). Договоримся пока не трогать элементы третьего и т.д. периодов, даже серу и фосфор, потому что для них нужно учитывать участие d-оболочек и не работает правило октета Льюиса. Корректно рисовать граничные структуры для молекул с участием этих элементов не так просто, но нам это, скорее всего, и не понадобится. Если понадобится, рассмотрим отдельно.

Поищем сопряженные фрагменты в реальных молекулах. Все просто – находим кратные связи, атомы с парами и секстетные атомы, находящиеся рядом друг с другом в любых (пока) комбинациях. Важно, что наблюдатель, идущий по цепи сопряжения, не должен наступать на атомы, не принадлежащие к этим трем типам. Как только встречаем такой атом, цепь заканчивается.

Теперь посмотрим на то, как это изображать. Изображать будем двумя способами – стрелками смещения электронной плотности и резонансными (граничными) структурами.

Тип 1. Находим в сопряженной системе донорные и акцепторные центры...
Донорные центры – это атомы с неподеленной парой. Акцепторные фрагменты – это секстетные атомы. Делокализацию всегда показывают от донора, но к акцептору в полном соответствии с их ролями. Если донор и акцептор оказались рядом, все просто. Стрелкой покажите смещение от пары к соседней связи. Это будет означать образование π-связывания между соседними атомами, и таким образом секстетный атом получит возможность заполнить пустую орбиталь и перестать быть секстетным. Это очень хорошо. Изображение граничных структур также дело немудреное. Слева рисуем исходную, потом специальную резонансную стрелку, потом структуру, в которой пара на доноре полностью перешла на образование полноценной π-связи. Реальная структура такого катиона будет гораздо ближе к правой граничной структуре, потому что заполнение секстета очень выгодно, а кислород при этом почти ничего не теряет, сохраняя восемь валентных электронов (пара переходит в связь, которая обслуживатся тоже двумя электронами).
Тип 2. Кроме донора и акцептора еще и кратные связи...
Здесь может быть два варианта. Первый – когда кратные связи вставлены между донором и акцептором. Тогда они образуют своеобразный удлинитель для системы, разобранной в Типе 1.

Если двойных связей не одна, а несколько, выстроенных в цепочку, то ситация усложняется не сильно. Стрелками показываем смещение плотности от пары, и последовательное смещение каждой двойной связи вплоть до заполнения секстета потребует дополнительных стрелок. Граничных структур по-прежнему две, и вновь вторая намного выгоднее и близко отражает реальную структуру катиона.

Случай, когда вместо обычных двойных связей бензольное кольцо, вполне вписывается в эту схему. Важно только рисовать бензольное кольцо не гайкой, а нормальной структурой Кекуле. С гайкой сопряжение изобразить не получится. Тогда мы сразу поймем две важные вещи: во-первых, что бензольное кольцо в делокализации работает как сопряженная система двойных связей и ни о какой ароматичности думать не нужно; во-вторых, что пара- и орто-расположение донора/акцептора сильно отличается от мета-расположения, в котором сопряжение отсутствует. На рисунках розовеньким напылением показаны пути сопряжения, и видно, что в орто-случае работает одна двойная связь, в пара-случае – две, а в мета-случае, как его ни нарисуй, путь сопряжения разрывается, и сопряжения нет. 

Если попадаются не двойные, а тройные связи, то ничего не меняется. Нужно просто представить тройную связь как две взаимно перпендикулярные π-связи, и одну из них использовать, а вторую оставить в покое. Не пугайтесь – получается немного страшновато от обилия двойных связей в граничной структуре. Обратите внимание, что двойные связи на одном атоме углерода обозначают на прямой (так как этот атом углерода имеет sp-гибридизацию), и, чтобы не запутаться, обозначают эти атомы жирными точками.

Тип 3. В цепи сопряжения либо донор, либо акцептор (но не оба сразу), и кратные связи С=С или С≡С
В этих случаях кратная связь (или цепочка кратных связей) принимает на себя роль отсутствующего: если есть донор, то она (они) становятся акцептором, и наоборот. Это естественное следствие того довольно очевидного обстоятельства, что электронная плотность при сопряжении смещается в определенном направлении от донора к акцептору и никак иначе. Если связь одна, то все совсем просто. Особенно важным является случаи, когда донором является карбанион, а также когда акцептором является карбокатион. Обратите внимание, что в этих случаях граничные структуры одинаковы, из чего следует что реальная структура таких частиц (аллильного катиона и аниона) находится ровно посредине между граничными структурами. Иными словами, в реальных аллильных катионах и анионах обе связи углерод-углерод совершенно одинаковы, а их порядок где-то посредине между одинарной и двойной. Заряд (что положительный, что отрицательный) поровну распределен на первом и третьем атомах углерода. Не рекомендую использовать довольно распространенную манеру изображать делокализацию пунктирной скобкой или полуторными пунктирными связями, потому что этот способ дает ложное представление от равномерной делокализации заряда по всем атомам углерода.

Если кратных связей больше, действуем по аналогии, добавляем стрелки, вовлекая каждую кратную связь в делокализацию. А вот граничных структур нужно рисовать не две, а столько, сколько есть кратных связей в цепи плюс исходную. Видим, что заряд делокализуется по нечетным атомам. Реальная структура будет где-то посредине.

Обобщим на донор – атом без заряда, но с парой. Стрелки будут такие же, как в случае аллильного карбаниона. Граничные структуры формально тоже, но они в этом случае неравноценны. Структуры с зарядами гораздо менее выгодны чем нейтральные. Реальная структура молекулы ближе с исходной, но картина делокализации позволяет понять, почему на дальнем атоме углерода возникает избыточная электронная плотность.

Делокализация в бензольном кольце опять требует представления с двойными связями, и рисуется вполне аналогично. так как связи три и все они участвуют, то граничных структур будет, помимо исходной, еще три, а заряд (плотность) размажется по орто и пара положениям.

Тип 4. В цепи сопряжения донор и кратные связи, некоторые из которых содержат гетероатом (С=O, C=N, N=O и т.п.)
Кратные связи с участием гетероатомов (напомню, что мы условились пока ограничиться элементами второго периода, то есть речь идет только о кислороде и азоте) похожи на кратные углерод-углеродные связи тем, что π-связь легко смещается от доного атома к другому, но отличаются тем, что смещение происходит только в одном направлении, что делает такие связи в подавляющем большинстве случаев только акцепторами. Двойные связи с азотом и кислородом встречаются в множестве важнейших функциональных групп (C=O в альдегидах, кетонах, кислотах, амидах, и т.п.; N=O в нитро-соединениях, и т.п.). Данный тип делокализации поэтому чрезвычайно важен, и мы будем часто с ним встречаться.

Итак, если есть донор и такая связь, то смещение плотности показать очень легко. Из двух граничных структур будет преобладать та, у которой заряд находится на более электроотрицательном атоме, впрочем, и роль второй структуры также всегда весьма существенна. Естественно, если случай симметричный, как тот, что показан на второй строчке, то обе структуры одинаковы и представлены поровну – реальная структура будет посредине точно так же, как в ранее рассмотренном случае аллильного аниона.

Если в молекуле или ионе есть еще и сопряженные углерод-углеродные связи, они будут скромно участвовать в общем смещении плотности. Такова же и роль бензольного кольца с орто- или пара-расположением донора и акцептора. Обратите внимание, что граничных структур всегда только две – они показывают два крайних положения для смещения плотности. Промежуточных структур (там, где плотность уже сместилась от донора на кратную связь, но дальше не прошла) рисовать не нужно. Вообще-то они есть и вполне законны, но их роль в делокализации пренебрежимо мала. Третий пример на представленной схеме показывает, как рисовать нитро-группу. Она поначалу пугает обилием зарядов, но если посмотреть на нее просто нак на двойную связь азот-кислород, то смещение рисуется точно так же, как и для любых других кратных связей с гетероатомами, а те заряды, которые там уже есть, нужно просто оставить в покое и не трогать.

И еще один распространенный вариант – донор один, а акцепторных кратных связей несколько (две, три). Строго говоря, в этом случае не одна цепь сопряжения, а две, три. Это увеличивает число граничных структур, и также может быть показано стрелками, хотя этот способ не вполне корректен, так как от одной донорной пары будет несколько стрелок. На этом примере хорошо видно, что граничные структуры – более универсальный способ, хотя и более громоздкий.

А что еще нужно знать про возможность сопряжения? Еще нужно представлять себе, как устроена молекула (частица). Для сопряжения необходимо, чтобы орбитали π-электронов были параллельны (коллинеарны, лежали бы в одной плоскоси), или составляли бы угол, сильно отличный от прямого. Это звучит совсем тухло – как это собственно узнать?! Не все так страшно, с действительно сложными случаями мы пока не встретимся. Но одна вещь вполне очевидна: если на одном атоме не одна, а две π-орбитали, то они взаимно строго перпендикулярны и не могут одновременно участвовать в одной цепи сопряжения. Поэтому не сопряжены двойные связи в 1,2-диенах (алленах), диоксиде углерода и похожих молекулах (кумуленах и гетерокумуленах); не сопряжены π-связи кольца и неподеленая пара в фенильном анионе, и т.п.