Круги Фроста — Органическая химия для олимпиад

Круги Фроста

8 заданий

Построение

linkОпора

Молекулярные орбитали сопряжённой системы (урок 165) для цикла удобно строить геометрически — с помощью круга Фроста. Этот приём сразу показывает, почему именно \(4n + 2\) электронов (урок 171) образуют устойчивую замкнутую оболочку.

Как построить круг Фроста

  1. Нарисуйте круг; впишите правильный многоугольник с числом вершин = числу атомов цикла, вершиной вниз.
  2. Каждая вершина — уровень π-МО; ниже центра — связывающие, на уровне центра — несвязывающие, выше — разрыхляющие.
  3. Заполните π-электроны снизу вверх, по два на уровень, на вырожденные — сначала по одному (Хунд).
  4. Все заполненные уровни — парами, связывающие заполнены полностью → ароматичность; неспаренные электроны на вырожденных уровнях → антиароматичность.
Циклобутадиен, бензол, циклооктатетраен, циклопентадиенил-анион
Циклобутадиен, бензол, циклооктатетраен, циклопентадиенил-анион

Примеры

1. Бензол. Шестиугольник вершиной вниз даёт уровни 1 + 2 + 2 + 1: один нижний, две вырожденные пары и один верхний. Шесть электронов полностью заполняют три связывающих уровня — оболочка замкнута, молекула ароматична.

Круги Фроста: циклобутадиен, бензол, циклооктатетраен, циклопентадиенил-анион
Круги Фроста: циклобутадиен, бензол, циклооктатетраен, циклопентадиенил-анион

2. Циклобутадиен. Квадрат вершиной вниз даёт уровни 1 + 2 + 1. Из четырёх электронов два занимают нижний уровень, а два оставшихся по правилу Хунда располагаются поодиночке на двух вырожденных несвязывающих уровнях. Получается бирадикал — признак антиароматичности.

Катионы и анионы малых циклов
Катионы и анионы малых циклов

errorМногоугольник вписывают вершиной вниз

Нижний уровень круга Фроста всегда один: именно он отвечает самой устойчивой π-орбитали без узлов. Если вписать многоугольник стороной вниз, картина уровней будет неверной, и предсказание ароматичности окажется ошибочным.

edit_noteПопробуйте сами

Сколько связывающих уровней у пятичленного цикла?

expand_moreПоказать решение

Три: нижний и вырожденная пара над ним.

Заряды и ароматичность ионов

Круг Фроста из первой части урока сразу показывает, какой ион данного цикла будет устойчив. Добавляя или убирая электроны, доводят число π-электронов до такого, при котором все связывающие уровни заполнены парами, а несвязывающие и разрыхляющие пусты.

Как выбрать устойчивый ион цикла

  1. Постройте круг Фроста для цикла.
  2. Найдите число электронов, при котором все связывающие уровни заполнены парами, а выше — пусто.
  3. Этот заряд даёт ароматический ион: для 3 — катион, для 5 — анион, для 7 — катион, для 8 — дианион.
\[\ce{C5H6 ->[\ce{NaH}] C5H5- Na+ + H2}\]
\[\ce{C7H8 + (C6H5)3C+ -> C7H7+ + (C6H5)3CH}\]

Примеры

1. Циклопентадиенил. У пятичленного цикла три связывающих уровня, на них помещается шесть электронов. Анион \(\ce{C5H5-}\) с шестью π-электронами ароматичен и образуется легко — например, при действии гидрида натрия на циклопентадиен; катион \(\ce{C5H5+}\) с четырьмя электронами антиароматичен.

Отрыв протона даёт ароматический анион
Отрыв протона даёт ароматический анион

2. Тропилий. У семичленного цикла тоже три связывающих уровня, и ароматичен катион \(\ce{C7H7+}\) с шестью π-электронами. Его соли, например тетрафторборат тропилия, устойчивы; катион получают отрывом гидрид-иона от циклогептатриена.

Отрыв гидрид-иона даёт ароматический катион
Отрыв гидрид-иона даёт ароматический катион

errorНечётный цикл может быть ароматичным только в виде иона

У нейтрального цикла с нечётным числом атомов число π-электронов нечётное, и заполнить связывающие уровни парами невозможно. Поэтому трёх-, пяти- и семичленные циклы становятся ароматическими только как ионы: катион для трёх и семи атомов, анион — для пяти.

edit_noteПопробуйте сами

Какой ион одиннадцатичленного цикла \(\ce{C11H11}\) ароматичен?

expand_moreПоказать решение

Катион \(\ce{C11H11+}\): 10 π (n = 2).

push_pinГлавное

Круг Фроста: правильный многоугольник цикла вписывают в круг вершиной вниз; вершины — уровни π-МО, горизонталь через центр — несвязывающий уровень. Заполните уровни π-электронами снизу вверх (правило Хунда). Все связывающие уровни заполнены парами — ароматичность (4n + 2); на вырожденной паре по одному электрону — антиароматичность (4n, бирадикал).

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Органическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Курс органической химии для подготовки к региональному и заключительному этапам Всероссийской олимпиады школьников и к перечневым олимпиадам первого уровня.