3. Современные электронные и квантово-химические представления о
строении бензола.
Согласно современным представлениям молекула бензола имеет строение плоского шестиугольника, стороны которого равны между собой и составляют 0,140 нм.
Это расстояние является средним значением между величинами 0,154 нм (длина одинарной связи) и 0,134 нм (длина двойной связи).
Однако не только углеродные атомы, но и связанные с ними шесть атомов водорода лежат в одной плоскости.
Углы образованные связями С-С-С и Н-С-С равны 1200.
Атомы углерода в молекуле бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации.
При этом три гибридизованные орбитали образуют обычные σ-связи (две С-С и одну С-Н), а четвертая – негибридизованная 2р-орбиталь перекрывается с 2р-орбиталями двух соседних углеродных атомов:
Рисунок 2 - Взаимное перекрывание 2р-орбиталей в молекуле бензола:
а - вид сбоку; б - вид сверху
В отличие от алкенов у бензола электроны π-связей не заключены в областях между каждой парой атомов углерода, а равномерно распределены по всем шести углеродным атомам, т.е. делокализованы.
В результате шесть делокализованных π-электронов, находясь на гантелеобразных орбиталях, оси которых перпендикулярны плоскости бензольного кольца, образуют единую устойчивую замкнутую циклическую π-систему, электронное облако которой расположено под и над плоскостью бензольного кольца.
Рисунок 3 - Равномерное распределение π-электронной плотности в
молекуле бензола в виде двух соприкасающихся «бубликов» (торов)
В результате такого равномерного перекрывания 2р-орбиталей всех шести углеродных атомов происходит «выравнивание» простых и двойных связей, т.е. в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи.
Квантово-химические представления о строении бензола.
Существует два квантово-химических критерия для определения ароматичности органических соединений - структурный и энергетический.
Структурный критерий заключается в тенденции к копланарному расположению атомов и выравниванию длин связей в ароматическом цикле.
Тенденция к копланарности обусловливается выгодностью расположения осей атомных р-орбитателей для их эффективного перекрывания.
Если же это требование не выполняется, то в молекуле нарушается параллельность осей р-электронных орбиталей, что приводит к устранению сопряжения и, как следствие, к нарушению выравнивания π-электронной плотности в системе.
Так, например, молекула циклооктатетраена не имеет плоского строения, а поэтому лишена ароматических свойств.