История представлений о строении бензола

C₆H₆ бензол.

С_nH_2n–6общая формула аренов (ароматических углеводородов).

Изомеров такого состава может быть очень много. Например:

· Все возможные структурные формулы включают в себя либо двойные и тройные связи, либо трехчленные циклы. Такие соединения легко вступают в реакции присоединения и окисления. Но бензол не проявляет таких свойств.

· У бензола нет различий между двойными и простыми связями (существует только один 1,2-диметилбензол).

1865 г. – Август Кекуле (Рис. 1) предположил, что атомы углерода могут замыкаться в цикл.

Рис. 1.

1872 г. – Кекуле предложил гипотезу, согласно которой в бензольном кольце происходит непрерывный обмен местами простых и двойных связей:

Современные представления о строении бензола

Появление физических методов анализа веществ и квантовомеханических подходов к описанию молекул позволило установить, что атомы углерода в молекуле бензола составляют плоский правильный шестиугольник; связи между всеми атомами углерода имеют равную длину – 0,14 нм, которая больше, чем длина двойной связи (0,132 нм), но меньше, чем длина простой связи (0,154 нм). Рис. 2.

 или 

Рис. 2. Молекула бензола

Так изображают структурную формулу бензола.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Рис. 2. Шесть π-электронов образуют общее электронное облако, которое принадлежит всем шести атомам углерода:

Рис. 3. Образование связей в молекуле бензола

Ароматичность

Прочность связи между атомами углерода в цикле должна быть промежуточной между прочностью двойной и одинарной связи. Но связь между атомами С в бензольном кольце оказывается значительно прочнее! Поэтому соединения ряда бензола не вступают во многие реакции, характерные для непредельных соединений.

Ароматичность – способность циклической молекулы с системой сопряженных двойных связей образовывать единое p-электронное облако с увеличением стабильности молекулы.

На основе квантовомеханических расчетов Э. Хюккель сформулировал критерии ароматичности:

1. Молекула (или ее часть) должна быть циклической и плоской.

2. Она должна содержать сопряженные p-электроны. Это могут быть электроны двойных связей или неподеленных электронных пар атомов.

3. Число p-электронов должно быть равным 4n + 2, где n = 0,1,2… (правило Хюккеля)

Примеры ароматических соединений:

Бензол – плоская циклическая система, содержащая 6 p-электронов (n = 1).

Нафталин (n = 2) и антрацен (n = 3):

Пиррол – гетероцикл, каждый атом углерода которого вносит в ароматическую систему по одному p-электрону, а атом азота – неподеленную электронную пару (n = 1):

Пиридин – гетероцикл, каждый атом которого (и атомы углерода, и атом азота) вносит в ароматическую систему по одному p-электрону, а неподеленная пара азота в сопряжении не участвует:

В сопряжении может участвовать и пустая пи-орбиталь. Таким образом, ароматичными могут быть и заряженные частицы, например циклопропенилий-катион

(n = 0):

циклопентадиенилий-анион (n = 1): 

циклогептатриенилий-катион (тропилий-катион): 

Получение и химические свойства этих соединений будут рассмотрены на дальнейших уроках.