Бензол: электронное и пространственное строение, изомерия и номенклатура

На данном уроке будет рассмотрена тема «История развития представлений о строении бензола, его строение, понятие об ароматичности». Вы узнаете, как с течением времени менялись представления о строении бензола. Вы познакомитесь с новым понятием – ароматичность.

I. Характеристика аренов

История представлений о строении бензола

C₆H₆ бензол

Ароматические углеводороды (aрены) – это органические соединения, в молекулах которых имеется одно или несколько бензольных колец.

Бензольное кольцо, или ядро, – циклическая группа атомов углерода с особым характером связей.

Общая формула - C_nH_2n-6

Ароматические углеводороды

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:

Структурные формулы, соответствующие составу С6Н6

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

II. Строение бензола

Видео: “Строение молекулы 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

Запомните!

SP² –гибридизация:

Плоское тригональное строение
Угол – HCH - 120°
Связи σ, π
В бензоле нет простых и двойных связей, под влиянием единой π – электронной системы расстояние между центрами атомов углерода становится одинаковым – 0,139 нм, все связи полуторные

Формула Кукуле правильно отражает равноценность шести атомов С, однако не объясняет ряд особых свойств бензола. Например, несмотря на ненасыщенность, он не проявляет склонности к реакциям присоединения: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. ему не свойственны типичные для непредельных соединений качественные реакции.

В структурной формуле Кекуле – три одинарные и три двойные чередующиеся углерод-углеродные связи. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны. Это объясняется электронным строением его молекулы.

Каждый атом С в молекуле бензола находится в состоянии sp²-гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами С и атомом Н тремя σ -связями. В результате образуется плоский шестиугольник, где все шесть атомов С и все σ -связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости (угол между связями С–С равен 120^o).

Рис. Схема образования -связей в молекуле бензола

Третья p-орбиталь атома углерода не участвует в гибридизации. Она имеет форму гантели и ориентирована перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Такие p-орбитали соседних атомов С перекрываются над и под плоскостью кольца.

Рис. Негибридные 2p-орбитали углерода в молекуле бензола

В результате шесть p-электронов (всех шести атомов С) образуют общее π -электронное облако и единую химическую связь для всех атомов С.

Рис. Молекула бензола. Расположение π -электронного облака

π -электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами С.

В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,139 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет чередования простых и двойных связей, а существует особая связь – “полуторная” – промежуточная между простой и двойной, так называемая ароматическая связь. Чтобы показать равномерное распределение p-электронного облака в молекуле бензола, корректнее изображать ее в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (окружность символизирует равноценность связей между атомами С):

Единая электронная система 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)

III. Классификация аренов

1. Моноядерные

1. С₆H₆ – бензол, родоначальник гомологического ряда аренов (Бензол – плоская циклическая система, содержащая 6 p-электронов (n = 1).

2. С₆H₅ – CH₃ – толуол (метилбензол)

3. С₆H₅ – CH=СH₂ – стирол (винилбензол)

4. Ксилол (орто-, пара- , мета-ксилол)

2. Многоядерные (конденсированные)

1. Нафталин (n = 2)

2. Антрацен (n = 3)

IV. Изомерия, номенклатура

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).

Изомерия обусловлена изомерией углеродного скелета имеющихся радикалов и их взаимным положением в бензольном кольце. Положение двух заместителей указывают с помощью приставок: орто- (о-), если они находятся у соседних углеродных атомов (положение 1, 2-), мета- (м-) для разделенных одним атомом углерода (1, 3-) и пара-(п-) для находящихся напротив друг друга (1, 4-).

Например, для диметилбензола (ксилола):