Что такое сопряженная система
Сопряженные системы, виды сопряжения
Сопряженными системами называются соединения, в которых есть чередование двойных и ординарных связей. Простейшим примером такой системы является молекула бутадиена-1,3. Из структурной формулы видно, что в молекуле содержатся одна ординарная и две двойные связи углерод-углерод, которые должны иметь длины связей, соответственно, 0,153 нм и 0,132 нм, что характерно для длин ординарной и двойной связей углерод-углерод в алканах и алкенах.
Пространственное строение бутадиена-1,3
Делокализация p-электронной плотности в бутадиене-1,3
В реальной молекуле бутадиена-1,3 нет двойных или ординарных связей, все четыре р-электрона делокализованы по всей системе сопряжения, охватывающей углеродный скелет.
Таким образом, под термином сопряжение понимают делокализацию (перераспределение) p-электронной плотности в молекуле, приводящую к изменению длин связей и увеличению ее устойчивости за счет выделения энергии. Различают два типа сопряжения: p,p- и p,p-сопряжение, которые могут возникать как в циклических, так и ациклических молекулах.
p,p-Сопряжение возникает, если в сопряжении участвуют р-орбитали, образующие p-связи. В рассмотренной выше молекуле бутадиена-1,3 в сопряжении участвовали четыре электрона атомов углерода, расположенные на р-орбиталях, образующих p-связи, таким образом, можно сделать вывод о том, что в этом случае имеет место p,p-сопряжение.
Примеры систем, имеющих p,p-сопряжение
p,p-Сопряжение может быть и в циклических молекулах.
Органическая химия
Информативные ответы на все вопросы курса «Органическая химия» в соответствии с Государственным образовательным стандартом.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Органическая химия предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
3. Сопряженные системы
В простейшем случае сопряженные системы —
это системы с чередующимися двойными и одинарными связями. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытая система имеется в диеновых углеводородах (УВ).
Все атомы С находятся в состоянии sp-гибридиза-ции. Четыре негибридные р-орбитами, перекрываясь между собой, образуют единую электронную систему. Этот вид сопряжения называется p, p-сопряжением.
Происходит сопряжение р-электронов с S-электро-нами. Этот вид сопряжения называется р, р-сопряже-нием. Закрытая система имеется в ароматических УВ.
Сопряжение — процесс энергетически выгодный, энергия (Е) при этом выделяется. Энергия сопряжения бутадиена — 1,3 составляет 15 кДж/моль, энергия сопряжения бензола — 228 кДж/моль.
Это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений. Условия ароматичности:
1) плоский замкнутый цикл;
2) все атомы С находятся в sp2-гибридизации;
3) образуется единая сопряженная система всех атомов цикла;
4) выполняется правило Хюккеля: в сопряжении участвуют 4n + 2 р-электронов, где n = 1, 2, 3…
Простейший представитель ароматических углеводородов — бензол. Он соответствует всем четырем условиям ароматичности. Правило Хюккеля: 4n + 2 = 6, n = 1.
Нафталин — ароматическое соединение 4n + 2 = 10, n = 2.
Пиридин — ароматическое гетероциклическое соединение. Взаимное влияние атомов в молекуле
В 1861 г. русский ученый A. M. Бутлеров выдвинул положение: «Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга». В настоящее время это влияние передается двумя путями: индуктивным и мезомерным эффектами.
Индуктивный эффект — это передача электронного влияния по цепи р-связи. Известно, что связь между атомами с различной электроотрицательностью (ЭО) поляризована, смещена к более электроотрицательному атому. Это приводит к появлению на атомах эффективных (реальных) зарядов (d). Такое электронное смещение называется индуктивным и обозначается буквой «I» и стрелкой «→».
Индуктивный эффект может быть положительным или отрицательным. Если заместитель X притягивает электроны химической связи сильнее, чем атом Н, то он проявляет — I.I (H) = 0. В нашем примере X проявляет — I.
Если заместитель X притягивает электроны связи слабее, чем атом Н, то он проявляет +I. Все алкилы (R = СН3-, C2H5 — и т. д.), Меп+ проявляют +I.
Сопряженные системы. Виды сопряжения. Тема: Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений
Лекция 3
Тема: Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений
Цель:изучение электронного строения органических соединений и способов передачи взаимного влияния атомов в их молекулах.
1. Индуктивный эффект
3. Ароматичность органических соединений
4. Мезомерный эффект (эффект сопряжения)
Индуктивный эффект
Молекула органического соединения представляет собой совокупность атомов, связанных в определённом порядке ковалентными связями. При этом связанные атомы могут различаться по величине электроотрицательности (Э.О.).
· Электроотрицательность – способность атома притягивать электронную плотность другого атома для осуществления химической связи.
Чем больше величина Э.О. данного элемента, тем сильнее он притягивает электроны связи. Величины Э.О. были установлены американским химиком Л. Полингом и этот ряд называется шкалой Полинга.
Все атомы, составляющие молекулу находятся во взаимной связи друг с другом и испытывают взаимное влияние. Это влияние передаётся по ковалентным связям с помощью электронных эффектов.
Одним из свойств ковалентной связи является некоторая подвижность электронной плотности. Она способна смещаться в сторону атома с большей Э,О.
· Полярность ковалентной связи – это неравномерное распределение электронной плотности между связанными атомами.
Наличие полярной связи в молекуле сказывается на состоянии соседних связей. Они испытывают влияние полярной связи, и их электронная плотность также смещается в сторону более Э.О. атома, т. е. происходит передача электронного эффекта.
· Смещение электронной плотности по цепи σ-связей называется индуктивным эффектом и обозначается I.
Индуктивный эффект передаётся по цепи с затуханием, т. к. при образовании ϭ-связи выделяется большое количество энергии и она плохо поляризуется и поэтому индуктивный эффект проявляется в большей степени на одну две связи. Направление смещения электронной плотности всех σ-связей обозначают прямыми стрелками.→
· Атом или группа атомов, смещающие электронную плотность ϭ-связи от атома углерода на себя называются электроноакцепторными заместителями и проявляют отрицательный индуктивный эффект (-I-эффект).
· Атом или группа атомов, отдающие электронную плотность называются электронодонорными заместителями и проявляют положительный индуктивный эффект (+I-эффект).
+I-эффектпроявляют алифатические углеводородные радикалы, СН3, С2Н5 и др.
пропен-1
Сопряженные системы. Виды сопряжения.
Важнейшим фактором, определяющим химические свойства молекулы, является распределение в ней электронной плотности. Характер распределения зависит от взаимного влияния атомов.
Ранее было показано, что в молекулах, имеющих только ϭ-связи, взаимное влияние атомов в случае их различной Э,О. осуществляется через индуктивный эффект. В молекулах, представляющих собою сопряженные системы, проявляется действие другого эффекта – мезомерного, или эффекта сопряжения.
· Влияние заместителя, передающееся по сопряженной системе π-связей, называется мезомерным эффектом (М).
Прежде, чем говорить о мезомерном эффекте необходимо разобрать вопрос о сопряженных системах.
Сопряжение имеется в молекулах многих органических соединений (алкадиены, ароматические углеводороды, карбоновые кислоты, мочевина и др.).
Соединения с чередующимся расположением двойных связей, образуют сопряженные системы.
· Сопряжение – образование единого электронного облака в результате взаимодействия неги негибридизованных рz— орбиталей в молекуле с чередующимися двойными и одинарными связями.
гибридизации. Все эти атомы лежат в одной плоскости и составляют σ-скелет молекулы (см. рисунок).
Негибридизованные р – орбитали каждого атома углерода расположены перпендикулярно этой плоскости и параллельно друг другу. Это создаёт условия для их взаимного перекрывания. Перекрывание этих орбиталей происходит не только между атомами С-1 и С-2 и С-3 и С-4, но и частично между атомами С-2 и С-3. При перекрывании четырёх рz-орбиталей происходит образование единого π-электронного облака, т.е. сопряжение двух двойных связей. Этот тип сопряжения называется π, π-сопряжением, т. к взаимодействуют орбитали π-связей. Цепь сопряжения может включать большое число двойных связей. Чем она длиннее, тем больше делокализация π-электронов и тем устойчивее молекула. В сопряженной системе π-электроны уже не принадлежат определённым связям, они делокализованы т. е равномерно распределены по всей молекуле. Делокализация π-электронов в сопряженной системе сопровождается выделением энергии, которая называется энергией сопряжения. Такие молекулы более устойчивы, чем системы с изолированными двойными связями. Объясняется это тем, что энергия таких молекул ниже. В результате делокализации электронов при образовании сопряженной системы происходит частичное выравнивание длин связей: одинарная становится короче, а двойная – длиннее.
Система сопряжения может включать и гетероатомы. Примером π,π-сопряженных систем с гетероатомом в цепи могут служить α и β – ненасыщенные карбонильные соединения. Например, в акролеине (пропен-2-аль) СН2 = СН – СН = О.
|
Образование аналогичной связи можно показать в амидной группе, являющейся важным структурным фрагментом пептидов и белков. Амидная группа молекулы ацетамида включает два гетероатома азот и кислород. В р, π-сопряженииучаствуют π-электроны поляризованной двойной связи карбонильной группы и донорная электронная пара атома азота.
|
р, π-сопряжение 
Ароматичность
Это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений ввёл немецкий физик Э. Хюккель (1931).
· плоский замкнутый цикл
· все атомы С находятся в sp 2 – гибридизации
· образуется единая сопряженная система всех атомов цикла
· выполняется правило Хюккеля: “В сопряжении участвуют 4n+2 p-электронов, где n = 1, 2, 3. ”
Простейший представитель ароматических углеводородов – бензол. Он удовлетворяет всем четырем условиям ароматичности.
Правило Хюккеля: 4n+2 = 6, n = 1.
 Нафталин | Нафталин – ароматическое соединение Правило Хюккеля: 4n+2 = 10, n = 2. |
 Пиридин | Пиридин – ароматическое гетероциклическое соединение. |
Мезомерный эффект
В отличие от несопряженных в которых электронное влияние заместителей передается по σ-связям (индуктивный эффект), в сопряженных системах в передаче электронного влияния основную роль играют π-электроны делокализованных ковалентных связей. Эффект, проявляющийся в смещении электронной плотности делокализованной (сопряженной) π-системы, называют эффектом сопряжения или мезомерным эффектом.
При этом заместитель становится частью сопряженной системы. Он может вносить в систему сопряжения π-связь (карбонильная, карбоксильная, нитро группа, сульфогруппа и др.), неподелённую пару электронов гетероатома (галогены, амино-, гидроксильную группы), вакантную или заполненную одним или двумя электронами р-орбиталей. Обозначается буквой М и изогнутой стрелкой 
Мезомерный эффект может быть «+» или «–».
• Заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе, проявляют положительный мезомерный эффект. Они содержат атомы с неподеленной электронной парой или отрицательным зарядом и способны к передаче своих электронов в общую сопряженную систему, т. е. являются электронодонорами.(ЭД). Они направляют реакции SE в положения 2,4,6 и называются ориентантами I рода
Примеры ЭД:
 Фенол | р, p-сопряжение Гидроксильная группа –ОН проявляет +М. |
Заместитель, притягивающий электроны из сопряженной системы, проявляет –М и наз-ся электроноакцептором (ЭА). Это заместители, имеющие двойную связь
 |
бензальдегид
Таблица 1 Электронные эффекты заместителей
| Заместители | Ориентанты в С6Н5-R | I | М | ||
 Аlk (R-): СН3-, С2Н5-. | Ориентанты I рода: направляют ЭД заместители в орто- и пара- положения | + | |||
–  Н2, –NНR, –NR2 | – | + | |||
–  Н, –  Н, – R | – | + | |||
–Н  L | – | + | |||
   
| Ориентанты II рода: направляют заместители в мета- положения | – | – |
1. Лузин А. П., Зурабян С. Э., Н. А. Тюкавкина, Органическая химия (учебник для учащихся средних фармацевтических и медицинских заведений), 2002 г. С.42-46, 124-128.
1. Егоров А. С., Шацкая К. П. Химия. Пособие – репетитор для поступающих в вузы
2. Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии М., 1998. С. 57-61.
Сопряженные системы. Виды сопряжения
Локализованные и делокализованные связи.
Ковалентная связь может быть локализованной и делокализованной. Локализованной называют связь, электроны которой поделены между двумя ядрами связываемых атомов.
В тех случаях, когда электроны связи поделены более чем между двумя ядрами, говорят о делокализованной связи. Делокализованная связь – это ковалентная связь, молекулярная орбиталь которой охватывает более двух атомов. Важнейшим фактором, определяющим химические свойства молекулы, является распределение в ней электронной плотности. Характер распределения зависит от взаимного влияния атомов.
Сопряжение имеется в молекулах многих органических соединений (алкадиены, ароматические углеводороды, карбоновые кислоты, мочевина и др.). Система сопряжения может быть открытой или замкнутой и содержать не только атомы углерода, но и гетероатомы: Cl, O, N, S и др.( акролеин, акрилонитрил,пиридин)
Открытая система сопряжения
Например, простейшим соединением с открытой системой сопряжения, содержащей только атомы углерода является, например, бутадиен-1,3.
12 34
С С С С
Негибридизованные р – орбитали каждого атома углерода расположены перпендикулярно этой плоскости и параллельно друг другу. Это создаёт условия для их взаимного перекрывания. Перекрывание этих орбиталей происходит не только между атомами С-1 и С-2 и С-3 и С-4, но и частично между атомами С-2 и С-3(рис.5б). При перекрывании четырёх рz-орбиталей происходит образование единого π-электронного облака, т.е. сопряжение двух двойных связей. 
Рис.5 атомно-орбитальная модель бутадиена-1,3
Этот тип сопряжения называется π, π-сопряжением, т. к взаимодействуют орбитали π-связей. Цепь сопряжения может включать большое число двойных связей. Чем она длиннее, тем больше делокализация π-электронов и тем устойчивее молекула. В сопряженной системе π-электроны уже не принадлежат определённым связям, они делокализованы т. е. равномерно распределены по всей молекуле. Делокализация π-электронов в сопряженной системе сопровождается выделением энергии, которая называется энергией сопряжения. Такие молекулы более устойчивы, чем системы с изолированными двойными связями.
Объясняется это тем, что энергия таких молекул ниже. В результате делокализации электронов при образовании сопряженной системы происходит частичное выравнивание длин связей: одинарнаястановится короче,а двойная-длиннее.
Углеводороды с большим числом сопряженных двойных связей распространены в растительном мире. К ним относятся, например, каротины отвечающие за окраску моркови, помидоров, масла и т.д.
СН2 = СН – :О: – СН3
О
СН3-С ..
CH2=CH- С = :О:
CH2 = CH–С N:
Это, прежде всего арены и их производные. Первый представитель бензол:
 |
Все σ-связи (С – С и С –Н) лежат в одной плоскости. Шесть негидридизованных р-орбиталей расположены перпендикулярно плоскости молекулы и параллельно друг другу. Каждая р-орбиталь в равной степени может перекрываться с двумя соседними р-орбиталями. В результате такого перекрывания возникает единая делокализованная π-система, наибольшая электронная плотность в которой находится над и под плоскостью σ-скелета и охватывает все атомы углерода цикла. π-Электронная плотность равномерно распределена по всей циклической системе. Все связи между атомами углерода имеют одинаковую длину (0,139 нм), промежуточную между длинами одинарной и двойной связей.
В гетероциклических ароматических соединениях наблюдается оба вида сопряженияπ,π-сопряжение и р,π-сопряжение.
Например
π,π-Сопряжение в гетероциклических ароматических соединениях характерно для шестичленных гетероциклов. Например, в пиридине и пиримидине
С
 | |  |
 |  |
С
 |  |  |
С С
π-Связи в этих соединениях делокализованы между С и N атомами.
В пятичленных гетероциклических соединениях—пирроле, фуране, тиофене реализуется р,π-сопряжение.
 |  |  |
NOS
Пиррол Фуран Тиофен
Ароматичность — это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений, ввёл немецкий физик Э. Хюккель (1931).
Особое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении. Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и является понятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклических молекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложен потому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом. К ароматическим соединениям относят обширную группу молекул и ионов разнообразного строения, которые соответствуют критериям ароматичности.
1. Плоский замкнутый цикл.
2. Все атомы С находятся в sp 2 – гибридизации
3. Подчиняется правилу Хюккеля: содержит в кольце (4n +2) р-электронов, гдеn = 0,1,2,3…
6. Устойчивы к действию окислителей.
7. Обладают термодинамической устойчивостью.
Электронные эффекты
Индуктивный эффект
Молекула органического соединения представляет собой совокупность атомов, связанных в определённом порядке ковалентными связями. При этом связанные атомы могут различаться по величине электроотрицательности (Э.О.).
Электроотрицательность – способность атома притягивать электронную плотность другого атома для осуществления химической связи.
Полярностьковалентной связи – это неравномерное распределение электронной плотности между связанными атомами.
Наличие полярной связи в молекуле сказывается на состоянии соседних связей. Они испытывают влияние полярной связи, и их электронная плотность также смещается в сторону более Э.О. атома, т. е. происходит передача электронного эффекта.
Смещение электронной плотности по цепи σ-связей называется индуктивным эффектом и обозначается I.
Индуктивный эффект передаётся по цепи с затуханием, т. к. при образовании σ-связи выделяется большое количество энергии и она плохо поляризуется и поэтому индуктивный эффект проявляется в большей степени на одну, две связи. Направление смещения электронной плотности всех σ-связей обозначают прямыми стрелками→ ;
Э.О.атома Сl > Э.О. атома С
Э.О. гидроксильной группы ОН > Э.О. атома С
Атом или группа атомов, смещающие электронную плотность σ-связи от атома углерода на себя называются электроноакцепторнымизаместителямии проявляют отрицательный индуктивный эффект (-I-эффект).
Мезомерный эффект. В отличие от несопряженных соединений, в которых электронное влияние заместителей передается по σ-связям (индуктивный эффект), в сопряженных системах в передаче электронного влияния основную роль играют π-электроны делокализованных ковалентных связей. Эффект, проявляющийся в смещении электронной плотности делокализованной (сопряженной) л-системы, называют мезомерным (М-эффект) или эффектом сопряжения.
Мезомерный эффект — передача электронного влияния заместителей по сопряженной системе.
При этом заместитель сам является участником сопряженной системы. Он может вносить в систему сопряжения π-связь (карбонильная, карбоксильная и другие группы), неподеленную пару электронов гетероатома (галогены, амино- и гидроксигруппы), вакантную или заполненную одним или двумя электронами р-АО.
Заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе, проявляют положительныймезомерный эффект (+М)
+М-эффектом обладают заместители, содержащие атомы с неподеленной парой электронов или целым отрицательным зарядом. Эти заместители способны к передаче пары электронов в общую сопряженную систему, т. е. являются электронодонорными.
Заместители, понижающие электронную плотность в сопряженной системе, проявляют отрицательный мезомерный эффект (-М).
(-М)-эффектом обладают заместители, содержащие двойные связи и положительно заряженные атомы, т. е. электроноакцепторныезаместители.
В приведенных ниже примерах показано проявление —М—эффекта карбонильной группы в акролеине и бензальдегиде (π,π-сопряжение),
а также + М-эффекта аминогруппы в анилине (р,π- сопряжение).
Табл.3 Электронные эффекты заместителей 
Реакционная способность органических веществ в значительной степени зависит от характера действия J и M эффектов. Знание теоретических возможностей действия электронных эффектов позволяет предсказать ход тех или иных химических процессов.