Строение бензола

Отметим, что для объяснения строения бензола с учетом элементного состава ошибочно предлагались и другие формулы, например:

Среди этих предполагаемых структур лишь призман (бензол Ладенбурга) имеет шесть эквивалентных атомов углерода, что могло бы объяснить химическое поведение бензола. Позднее, в 20-м веке, некоторые представители указанных систем (включая призман) были получены, однако оказались весьма неустойчивыми соединениями.

Атомы углерода в бензоле имеют sp2-гибридизацию, чему соответствует валентный угол 120о. Таким образом, геометрия молекулы бензола не приводит к напряжению, связанному с искажением валентных углов. Каждый С-атом образует три s-связи и (формально) одну p-связь, для образования которой предоставляет один р-электрон. Известно, что электронные орбитали p-связей имеют способность к сопряжению. В молекуле бензола сопряжение кратных связей максимально, следствием чего является эквивалентность всех шести атомов углерода. Связывающие p-электроны в равной мере принадлежат всем шести атомам, другими словами, последние вносят по одному электрону в общую циклическую p-систему. Это явление называется делокализаций p-электронов. Длины и порядки всех шести С-С связей равны, т.е. их нельзя различить на одинарные и двойные, поэтому дипольный момент бензола равен нулю. В молекуле бензола атомы углерода образуют плоский правильный равносторонний шестиугольник с осью симметрии шестого порядка. На продолжении радиусов, проходящих через С-атомы, располагаются атомы водорода.

Распределение спиновой плотности в молекуле бензола можно представить как резонансный гибрид нескольких граничных структур:

Теплота образования бензола из атомов больше суммарной энергии образования трех молекул этилена на 160 кДж/моль. Близкая величина получена также из расчетов теплот гидрирования. Так, теплота гидрирования бензола равна 206 кДж/моль, а для циклогексена эта величина составляет 119 кДж/моль. Разница составляет 3*119–206=151 кДж/моль. Эту разницу называют энергией p-электронной делокализации или энергией резонанса и она показывает выигрыш энергии за счет делокализации p-электронов во всей замкнутой системе.

Энергия делокализации (резонанса) ER=151кДж/моль показывает, насколько ароматические молекулы устойчивее аналогичных структур с локализованными p-связями. Поэтому энергия резонанса может служить необходимым и достаточным условием ароматичности и ее количественным термодинамическим критерием.

В свете сказанного молекулу бензола следует изображать в виде шестиугольника с кольцом внутри, но для удобства пользуются формулой Кекуле с двойными и одинарными связями, подразумевая при этом, что все связи выровнены.