A görbe nyilak használata
Most visszatérünk egy régi barátunkhoz, az \(CH_3CNO\)-hoz, amelyet akkor mutattunk be, amikor először beszéltünk a rezonancia szerkezetekről. Ezt a vegyületet arra használjuk, hogy tovább szemléltessük, hogyan “tolják” a mozgó elektronokat, hogy egyik rezonanciaszerkezetből a másikba érkezzenek.
Az elektronok mozgása, amely az I. szerkezetből a II. szerkezetbe való eljutáshoz történik, a szén és a nitrogén közötti hármas kötéssel kezdődik. A hármas kötés részét képező két \(\pi\) kötés egyikét a nitrogén pozitív töltése felé mozgatjuk, ahogyan az látható:
Mikor ezt megtesszük, nagy figyelmet fordítunk az érintett atomok új állapotára, és a kapott képletek érvényességének megőrzése érdekében elvégezzük a szükséges módosításokat a töltéseken, kötéseken és a nem megosztott elektronokon. Ebben az esetben például az I. szerkezetben a hármas kötés részét képező szénnek pozitív töltést kell kapnia a II. szerkezetben, mert elvesztett egy elektront. A nitrogén viszont most semleges, mert nyert egy elektront, és négy helyett három kötést képez.
Az I. szerkezetből a III. szerkezetbe az elektronok eltolásával is eljuthatunk a következő módon. A nyilakat ebben a példában megszámoztuk, hogy jelezzük, melyik mozgás kezdődik először, de ez nem része a görbe nyilak formalizmusában használt konvencióknak.
Amint az 1. lépésben látható módon egy pár osztatlan elektront az oxigénből a nitrogénatom felé tolunk, kénytelenek vagyunk a 2. lépésben látható módon a nitrogénből a szén felé tolni elektronokat. Ellenkező esetben egy 5 kötéssel rendelkező nitrogént kapnánk, ami lehetetlen, még ha csak pillanatnyilag is. Ismét figyeljük meg, hogy az 1. lépésben a nyíl egy nem megosztott elektronpárral indul az oxigénből, és a nitrogén pozitív töltése felé mozog. Egy új \(\pi\) kötés alakul ki a nitrogén és az oxigén között. Ugyanakkor a 2. lépésben a szén felé elmozduló \(\pi\) elektronok a III. szerkezetben osztatlan elektronpárrá válnak. Végül néhány atom hibridizációs állapota is megváltozik. Például az I. szerkezetben a szénatom sp hibridizált, de a III. szerkezetben \(sp^3\) hibridizált.
Még egy kicsit játszadozhatsz, hátha eljutsz a II. szerkezetből a III. szerkezetbe, stb. Figyelmeztetni kell azonban, hogy ez néha trükkösebb, mint amilyennek első látásra tűnik.
Az elektronok mozgatásának további szabályai a rezonanciaszerkezetek írásához:
- Elektronpárok csak szomszédos pozíciókba mozoghatnak. A szomszédos pozíciók szomszédos atomokat és/vagy kötéseket jelentenek.
- Az elektronok mozgatásával létrejövő Lewis szerkezeteknek érvényesnek kell lenniük, és ugyanolyan nettó töltést kell tartalmazniuk, mint az összes többi rezonancia szerkezetnek.
A következő példa azt szemlélteti, hogy a szénből egy magányos elektronpár áthelyezhető, hogy egy új \(\pi\) kötést hozzon létre egy szomszédos szénhez, és hogy a szén és az oxigén közötti \(\pi\) elektronok áthelyezhetők, hogy egy nem megosztott elektronpár legyen az oxigénen. Az előző szabályok egyikét sem sértettük meg egyik példában sem.
Most nézzünk néhány példát arra, hogy HOGYAN NE MOZGASSZUK AZ ELEKTRONOKAT. Ugyanannak a példának a felhasználásával, de az elektronok más módon történő mozgatásával szemléltetjük, hogy az ilyen mozgatás érvénytelen Lewis képleteket eredményezne, és ezért elfogadhatatlan. Nemcsak hogy rossz irányba mozgatjuk az elektronokat (egy elektronegatívabb atomtól távolabb), de a keletkező szerkezet több konvenciót is sért. Először is, a központi szénnek öt kötése van, és ezért megsérti a nyolcas szabályt. Másodszor, a második szerkezet teljes töltése eltér az elsőtől. Ahhoz, hogy elkerüljük, hogy a szén öt kötéssel rendelkezzen, meg kellene semmisítenünk az egyik C-C egyszerű kötést, ezzel tönkretéve a molekulavázat.
A lenti példában az elektronok egy nagy elektronsűrűségű (negatív töltésű) terület felé mozognak, nem pedig egy pozitív töltésű felé. Ráadásul a keletkező szerkezetben a szén esetében sérül a nyolcas szabály, ahol nyolcnál több elektronon osztozik.
A további példák tovább szemléltetik az eddig tárgyalt szabályokat.
(a) Egy adott atomon található osztatlan elektronpárok (magányos párok) csak egy szomszédos pozícióba mozoghatnak, hogy új \(\pi\) kötést hozzanak létre a következő atomhoz.
(b) Hacsak nincs pozitív töltés a következő atomon (a fenti szén), más elektronokat kell elmozdítani a nyolcas szabály megtartásához. A rezonanciaszerkezetekben ezek szinte mindig \(\pi\) elektronok, és szinte soha nem szigma elektronok.
Amint a nitrogén magányos pár elektronjai a szomszédos szén felé mozognak, hogy egy új \(\pi\) kötést hozzanak létre, a C=O kötést alkotó \(\pi\) elektronokat az oxigén felé kell elmozdítani, hogy a végén ne legyen öt kötés a központi szénhez.
c) Mint fentebb látható, a \(\pi\) elektronok a két közös atom egyikének irányába mozoghatnak, hogy egy új magányos párt alkossanak. A fenti példában a C=O kötés \(\pi\) elektronjai az oxigén felé mozdultak, hogy új magányos párt alkossanak. Egy másik példa:
(d) \(\pi\) elektronok is elmozdulhatnak egy szomszédos pozícióba, hogy új \(\pi\) kötést hozzanak létre. Ismét be kell tartani az oktett-szabályt:
Az egyik leggyakoribb példa erre a tulajdonságra a benzol és hasonló gyűrűk rezonanciaformáinak felírásakor figyelhető meg.
