العلاقة بين البنية وخصائص المركبات العضوية

الرنين هو مفهوم أساسي في الكيمياء. فهو يساعدنا على فهم كيفية توزيع الإلكترونات داخل الجزيء أو الأيون. في الكيمياء، نستخدم هياكل لويس لتمثيل ترتيب الإلكترونات حول الذرات. على سبيل المثال، عادة ما يشار إلى بنية البنزين على أنها بنية لويس واحدة. يحتوي هيكل لويس هذا على روابط أحادية ومزدوجة متناوبة. تنص بنية لويس للبنزين على أن أطوال الروابط بين ذرات الكربون في البنزين ليست متساوية. وفي الوقت نفسه، درسنا بالفعل أن جميع أطوال الروابط بين ذرات الكربون في البنزين متساوية.

يمكننا أن نستنتج أن بنية لويس الواحدة لا تكفي لوصف البنية الإلكترونية للجزيء بدقة. وهنا يصبح الرنين ذا أهمية. يحدث الرنين عندما يمكن تصوير الجزيء من خلال هياكل لويس الصالحة المتعددة والتي تسمى هياكل الرنين. تختلف هذه الهياكل الرنانة فقط في ترتيب الإلكترونات. تظل مواقع الذرات كما هي. الجزيء أو الأيون هو الهجين من هياكله الرنانة.

على سبيل المثال، تم توضيح هيكلين لويس محتملين للبنزين هنا. يُطلق على هاتين البنيتين لويس للبنزين اسم البنيتين الرنانتين. يختلفان فقط في موضع الروابط باي. تتوزع إلكترونات باي في جميع أنحاء حلقة البنزين. الجزيء الأصلي للبنزين هو هجين من هاتين البنيتين الرنانتين.

الآن دعونا نأخذ مثالا على أيون الأسيتات. هناك نوعان محتملان من هياكل لويس لأيونات الأسيتات. يتم توضيح هذه الهياكل هنا. يمكن للإلكترون الموجود على ذرة الأكسجين أن ينتقل بين ذرتي أكسجين مرتبطتين بالكربون. يُطلق على هاتين البنيتين لويس أيضًا اسم هياكل الرنين.

الفينول هو عبارة عن كحول تكون فيه مجموعة الهيدروكسيل مرتبطة بذرة الكربون في حلقة البنزين. الصيغة الجزيئية للفينول هي C₆H₅OH. الفينول أكثر حمضية من الكحولات الأخرى. يمكن أن يتفكك إلى أيون الفينوكسيد وأيون الهيدروجين. الآن بعد أن درسنا مفهوم الرنين، هل يمكنك أن تشرح لماذا الفينولات أكثر حمضية؟. حسنًا، الجواب على هذا السؤال يكمن أيضًا في الرنين.

الفينولات أكثر حمضية بسبب استقرار أيون الفينوكسيد. كما نعلم أن أيون الفينوكسيد يتشكل عن طريق تفكك الفينول. هذا الأيون الفينوكسيد مستقر للغاية بسبب الرنين. يتم توزيع الإلكترون الموجود على ذرة الأكسجين في أيون الفينوكسيد في جميع أنحاء حلقة البنزين. بسبب هذا التباعد في موقع الإلكترون، فإن أيون الفينوكسيد لديه هياكل رنينية متعددة. بسبب عدم توطين الإلكترون، فإن الإلكترون غير متاح بسهولة على ذرة الأكسجين لأيون الفينوكسيد. وهذا يجعل أيون الفينوكسيد أقل تفاعلية؛ وبالتالي أكثر استقرارا.

تسمى عملية تحول كثافة الإلكترون بين الذرات أو مجموعات الذرات بالتأثير الاستقرائي. يصف تأثير سحب الإلكترونات أو منحها. ويفعل ذلك بالنسبة للذرات أو مجموعات الذرات، على الذرات أو مجموعة الذرات القريبة، داخل الجزيء. على سبيل المثال، في هاليدات الألكيل، تنتقل كثافة الإلكترون من ذرات الكربون في المجموعة الألكيلية نحو ذرة الهالوجين. يرجع ذلك إلى ارتفاع السالبية الكهربية لذرة الهالوجين مقارنة بذرة الكربون. ذرة الهالوجين تسحب كثافة الإلكترون نحو نفسها.

يحدث التأثير الحثي السلبي عندما تسحب ذرة أو مجموعة من الذرات كثافة الإلكترون من بقية الجزيء. ويؤدي هذا إلى انخفاض كثافة الإلكترون في بقية الجزيء. على سبيل المثال، في الكلوروبيوتان، تكون ذرة الكلور أكثر كهرسلبية من الكربون والهيدروجين. يظهر تأثيرًا استقرائيًا سلبيًا. يؤدي إلى انخفاض كثافة الإلكترون عند ذرة الكربون القريبة.

تسمى الذرات أو مجموعة الذرات التي تشير إلى التأثير الحثي السلبي بمجموعات سحب الإلكترونات. المجموعات الساحبة للإلكترون لها سالبية كهربائية عالية. تميل هذه المجموعات إلى سحب كثافة الإلكترون من بقية الجزيء. تشمل أمثلة مجموعات سحب الإلكترونات الهالوجينات ومجموعة الكاربونيل ومجموعة السيانو ومجموعة النيترو.

يحدث التأثير الحثي الإيجابي عندما تتبرع ذرة أو مجموعة من الذرات بكثافة إلكترونية لبقية الجزيء. ويؤدي هذا إلى زيادة كثافة الإلكترون في بقية الجزيء. على سبيل المثال، في التولوين، تعمل مجموعة الميثيل على زيادة كثافة الإلكترون في حلقة البنزين. تظهر مجموعة الميثيل تأثيرًا استقرائيًا إيجابيًا.

المجموعات المانحة للإلكترونات هي الذرات أو مجموعة الذرات التي تظهر تأثيرًا استقرائيًا إيجابيًا. عادةً ما يكون للمجموعات المانحة للإلكترونات كهرسلبية منخفضة. بعض الأمثلة على المجموعات المانحة للإلكترونات هي المجموعات الألكيلية والمجموعة الأمينية والمجموعة الهيدروكسيلية. يمكن أن تكون المجموعات الألكيلية عبارة عن مجموعة ميثيل أو مجموعة إيثيل.

عندما يتم ربط مجموعة مانحة للإلكترون بحلقة البنزين، فإن ذلك يؤدي إلى ظهور كثافة الإلكترون في موضعي أورثو وبارا لحلقة البنزين. تُسمى هذه المجموعة بمجموعة التوجيه الأورثو والبارا. على سبيل المثال، في هياكل الرنين للتولوين، يمكننا أن نرى أن مجموعة الميثيل تزيد من كثافة الإلكترون في موضعي أورثو وبارا.

أثناء تفاعلات الاستبدال المحبة للإلكترون، تقوم مجموعات التوجيه أورثو وبارا بتوجيه المادة المحبة للإلكترون الواردة إلى مواضع أورثو وبارا. يرجع ذلك إلى أن كثافة الإلكترون ترتفع في موضعي أورثو وبارا. على سبيل المثال، يؤدي نترات التولوين إلى تكوين أورثو نيتروتولوين وبارا نيتروتولوين. تعمل مجموعة الميثيل في التولوين على زيادة كثافة الإلكترون في موضعي أورثو وبارا. ونتيجة لذلك، يتم ربط مجموعة النيترو في موضعي أورثو وبارا.

تعمل مجموعات سحب الإلكترون على تقليل كثافة الإلكترونات في المواضع أورثو وبارا في حلقة البنزين. تظل كثافة الإلكترون في الموضع الميتا كما هي. تُسمى هذه المجموعات بمجموعات التوجيه الميتا. تصبح أوضاع Ortho و Para إيجابية جزئيًا. يصبح الموقف الميتا سلبيا جزئيا. تعمل مجموعة النيترو في النيتروبنزين كمجموعة توجيه ميتا.

في النيتروبنزين، تقوم مجموعة النيترو بسحب كثافة الإلكترون من مواضع أورثو وبارا. الآن أصبح الموضع الميتا يحتوي على كثافة إلكترونية أكبر مقارنة بالموضع الأورثو والبارا. نتيجة لذلك، يتم ربط المادة المحبة للإلكترون الواردة بموضع الميتا. على سبيل المثال، أثناء كلورة النيتروبنزين Cl⁺يعمل الأيون كمُحب للإلكترون. إنه يرتبط بالموضع الميتا للنيتروبنزين. يتم تشكيل ميتا كلورونيتروبنزين كمنتج.