Строение бензола

Известно, что гибридное состояние атома углерода в молекуле в большой степени определяет химическое поведение соединения. Так, алканы, образованные sp3-гибридными атомами углерода, инертны по отношению к большинству реагентов. Исключение составляют свободные радикалы. Производные этилена имеют склонность к присоединению электрофильных реагентов и свободных радикалов, что приводит к разрушению p-связи и образованию более устойчивых s-связей. В то же время, некоторые соединения с двойными связями способны к присоединению и нуклеофильных реагентов. Это в первую очередь относится к двойной связи a, b-непредельных альдегидов и кетонов, нитрилов, b-нитростиролов, т.е. тех соединений, в которых p-связь сопряжена с электроноакцепторной группой. Ацетилены могут присоединять как электрофильные, так и нуклеофильные реагенты. Это связано с тем, что в их молекулах одновременно присутствуют как доступные электроны p-связи, так и электроотрицательные атомы углерода.

Ранее было показано, что химические свойства пространственно ненапряженных циклоалканов почти не отличаются от свойств этана, пропана и т.д. Аналогично, довольно близкую реакционную способность имеют бутадиен и циклогексадиен. Однако, поведение циклических соединений, скелет которых образован исключительно sp2-гибридными атомами, зачастую принципиально отличается от свойств их линейных аналогов. Примером соединений такого типа является бензол, а также его гомологи и производные.

Своеобразие свойств этих соединений заставило выделить их в отдельный класс ароматических соединений. Происхождение этого названия связано с тем, что многие из представителей ряда имеют специфический, зачастую приятный, аромат.

Бензол был открыт английским естествоиспытателем М. Фарадеем в 1825 году. Ему была приписана правильная формула С6Н6, однако истинное строение молекулы в течение долгого времени оставалось загадкой. Лишь в 1865 году немецкий химик А. Кекуле предложил циклическую формулу, описывающую молекулу бензола в виде плоского шестиугольника, в котором каждый атом углерода связан с двумя соседними С-атомами одинарной и двойной связями, а также имеет связь с атомом водорода.

Этой формулой мы пользуемся и сейчас, хотя вкладываем в нее несколько иное содержание.

Вот, что написал сам Кекуле об установлении формулы бензола:

«Я сидел и писал учебник, но работа продвигалась плохо, мои мысли блуждали где-то далеко. Я подвинул кресло к камину и задремал. Снова атомы запрыгали перед моими глазами. На этот раз малые группы атомов скромно оставались на заднем плане. Мой мысленный взор, обостренный повторением таких видений, мог теперь различать структуры большего размера в многочисленных конформациях, длинные цепи иногда тесно группировались, все они изгибались и поворачивались подобно змеям. Но что это? Одна из змей захватила свой собственный хвост, и эта фигура завертелась перед моими глазами, как бы посмеиваясь надо мной. Как от вспышки молнии я пробудился… Остаток ночи я провел, обдумывая следствие из моей гипотезы. Научимся мечтать и тогда, может быть, мы постигнем истину» (1865)

Однако формула Кекуле не согласовывалась с данными экспериментов. Было обнаружено, например, что можно получить лишь три изомерных дизамещенных бензола. Так, при мононитровании толуола образуется смесь лишь трех соединений: орто-, пара-нитротолуолов и мета-нитротолуол, хотя и с очень низким выходом.

Если бы двойные и одинарные связи в бензоле можно было различить, то изомеров было бы пять:

Поэтому Кекуле предложил считать, что кратные связи в молекуле бензола быстро перемещаются (осциллируют). Это утверждение подразумевает свободное перемещение p-электронов в цикле.