Главная > Химия > Органическая химия (Моррисон Р.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

10.12. Орбитальное представление структуры бензола

Более детальная картина описания молекулы бензола может быть получена из рассмотрения орбиталей связей в этой молекуле.

Поскольку каждый атом углерода связан с тремя другими атомами, он использует -орбитали (как в этилене, разд. 5.2). Эти орбитали лежат в одной плоскости, а именно в плоскости ядер углерода, и направлены в сторону углов равнобедренного треугольника.

Рис. 10.2. Молекула бензола. а — представлены только -связи, б - перекрывание -орбиталей, образующих -связи.

Если расположить шесть атомов углерода и шесть атомов водорода так, чтобы было обеспечено максимальное перекрывание этих орбиталей, то получим структуру, показанную на рис. 10.2, а.

Бензол представляет собой плоскую молекулу, в которой все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости. Кроме того, это очень симметричная молекула, в которой атомы углерода находятся в вершинах правильного шестигранника; каждый угол связи равен 120° (2,094 рад). Каждая орбиталь связи имеет цилиндрическую симметрию вокруг линии, соединяющей атомные ядра, и поэтому эти связи обозначают как -связи.

Однако этим не исчерпывается описание молекулы. Остаются еще шесть электронов, которые надо как-то разместить. Помимо уже использованных трех орбиталей каждый атом углерода имеет еще четвертую орбиталь — -орбиталь. Эти -орбитали состоят из двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, а другая — ниже плоскости, в которой находятся три другие орбитали, т. е. выше и ниже плоскости кольца; каждая -орбиталь занята одним электроном.

Как и в случае этилена, -орбитали одного атома углерода могут перекрываться с -орбиталями соседнего атома углерода, что приводит к спариванию электронов и образованию дополнительной -связи (рис. 10.2, б). Но в данном случае это перекрывание не ограничивается только двумя орбиталями, как в этилене: -орбиталь любого из атомов углерода одинаково хорошо перекрывается с -орбиталями обоих соседних атомов углерода. В результате образуются два непрерывных электронных облака (в форме бублика), одно из которых лежит выше, а другое — ниже плоскости атомов (рис. 10.3).

Перекрывание -орбиталей в обоих направлениях и получающееся в ре зультате этого участие каждого из электронов в нескольких связях эквивалентно представлению о бензоле как о резонансном гибриде двух структур.

Рис. 10.3. Молекула бензола. -Облака расположены выше и ниже плоскости цикла.

Рис. 10.4. Молекула бензола: форма и размеры.

Эти два метода изображения — нескольких резонирующих структур или единого электронного облака являются грубой попыткой графическими средствами передать ту идею, что данная пара электронов может служить для связывания более двух ядер. Именно эта способность «-электронов участвовать в нескольких связях, подобная делокализация электронов, и приводит к образованию более прочных связей и более стабильных молекул. По этой причине термин энергия делокализации часто используется вместо термина энергия резонанса.

Прочность ковалентной связи обусловлена тем, что электрон сильнее притягивается двумя ядрами, чем одним. Точно так же электрон сильнее притягивается шестью ядрами, чем двумя.

Орбитальный подход позволяет показать важность того обстоятельства, что бензол представляет собой плоскую молекулу. Цикл является плоским, потому что тригональные углы связей () в точности равны углу 120° (2,094 рад) правильного шестиугольника; именно подобное плоское строение делает возможным перекрывание -орбиталей в обоих направлениях, что приводит к делокализации и стабилизации.

При использовании привычных структур с валентными связями трудно представить какую-либо одну структуру, которая была бы промежуточной между двумя структурами Кекуле. С другой стороны, орбитальный подход дает нам довольно четкую картину молекулы: углерод-углеродные связи в бензоле могут быть представлены шестью эквивалентными электронными облаками, каждое из которых по своей плотности будет промежуточным между электронным облаком, образующим простую связь, и электронным облаком, образующим двойную связь.

Факты соответствуют орбитальному представлению о молекуле бензола. С помощью рентгеноструктурного анализа и метода дифракции электронов показано, что бензол (рис. 10.4) представляет собой совершенно плоскую

симметричную молекулу, в которой все связи углерод — углерод одинаковы, а все углы связей равны 120° (2,094 рад).

Как будет показано ниже, химические свойства бензола соответствуют этой структуре. Несмотря на делокализацию, -электроны удерживаются не столь жестко, как -электроны, поэтому -электроны особенно доступны для атаки реагентами, стремящимися получить электроны. Типичными реакциями бензольного кольца являются реакции, в которых оно служит источником электронов для электрофильных (кислых) реагентов. Благодаря резонансной стабилизации бензольного кольца эти реакции приводят к замещению с сохранением ароматического характера бензольного кольца.

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление