Бензол: строение и устойчивость
Строение бензола
linkОпора
- Урок 16. Резонансные структуры: что это и зачем — понимать, что реальная частица — гибрид резонансных структур
- Урок 107. Строение и устойчивость алкенов — сравнивать устойчивость алкенов по теплотам гидрирования
Бензол — классический пример резонанса (урок 16): одной структурой Кекуле с чередующимися одинарными и двойными связями его описать нельзя, потому что в такой молекуле связи были бы разной длины, а на опыте все связи C–C бензола одинаковы.
Как описать строение бензола
- Шесть \(sp^2\)-атомов углерода в плоскости, углы 120°.
- Шесть \(p\)-орбиталей перекрываются по кругу — π-облако над и под кольцом.
- Все связи C–C одинаковы: 139 пм (между 154 и 134).
- Две структуры Кекуле — резонансные структуры одной молекулы.
Примеры
1. Строение молекулы. Шесть \(sp^2\)-атомов углерода лежат в одной плоскости, углы между связями равны 120°, а шесть \(p\)-орбиталей перекрываются по кругу и образуют единую π-систему из шести электронов. Две структуры Кекуле — её резонансные формы.
2. Озонолиз пара-ксилола. При озонолизе разрываются все три «двойные» связи кольца. Если бы связи чередовались, продукты зависели бы от того, где стоят двойные связи; на опыте получаются глиоксаль и метилглиоксаль в соотношении 1 : 2, что отвечает вкладу обеих структур Кекуле.
errorСтруктуры Кекуле — не два изомера
Две структуры Кекуле не существуют по отдельности и не переходят друг в друга: это два способа нарисовать одну и ту же молекулу с делокализованными электронами. Поэтому 1,2-дибромбензол существует в виде одного вещества, а не двух (с атомами брома «у двойной» и «у одинарной» связи).
edit_noteПопробуйте сами
Сколько изомеров у 1,2-диметилбензола, если бы связи бензола чередовались?
expand_moreПоказать решение
Два (метилы у «двойной» или «одинарной» связи); на опыте — один.
Энергия ароматической стабилизации
Устойчивость бензола измеряют так же, как устойчивость алкенов (урок 107), — по теплоте гидрирования. Бензол выделяет при гидрировании гораздо меньше тепла, чем выделяла бы молекула с тремя обычными двойными связями, и эта разница называется энергией ароматической стабилизации.
Как оценить энергию стабилизации
- Гидрирование циклогексена: 120 кДж/моль.
- «Циклогексатриен» ожидался бы 3 · 120 = 360 кДж/моль.
- Бензол: 208 кДж/моль. Разница 152 кДж/моль — энергия ароматической стабилизации.
- Следствие: бензол вступает в замещение, а не в присоединение.
Примеры
1. Циклогекса-1,3-диен. Его теплота гидрирования равна 232 кДж/моль вместо ожидаемых \(2 \cdot 120 = 240\): обычное сопряжение двух двойных связей даёт выигрыш всего 8 кДж/моль.
2. Бензол. Гипотетический «циклогексатриен» дал бы \(3 \cdot 120 = 360\) кДж/моль, а бензол даёт 208 кДж/моль. Разница 152 кДж/моль — энергия ароматической стабилизации.
3. Следствие для реакций. Бензол не обесцвечивает бромную воду и не окисляется холодным перманганатом: присоединение разрушило бы ароматическую систему и потребовало бы затратить эти 152 кДж/моль. Поэтому для бензола характерно замещение, а не присоединение.
errorАроматическая стабилизация — это не обычное сопряжение
Сопряжение в диене даёт лишь несколько килоджоулей на моль, а ароматичность бензола — около 150 кДж/моль. Разница настолько велика, что определяет всю химию аренов: они сохраняют кольцо в реакциях и вступают в замещение вместо присоединения.
edit_noteПопробуйте сами
Обесцвечивает ли бензол бромную воду?
expand_moreПоказать решение
Нет: присоединение разрушило бы ароматичность.
push_pinГлавное
Бензол — плоский правильный шестиугольник: все связи C–C одинаковы (139 пм), шесть π-электронов делокализованы по кольцу; две структуры Кекуле — резонансные, а не изомеры. Теплота гидрирования бензола 208 кДж/моль вместо ожидаемых 3 · 120 = 360 — энергия ароматической стабилизации около 150 кДж/моль. Поэтому бензол вступает в замещение, сохраняющее ароматичность, а не в присоединение.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.