Бензол құрылымы және тұрақтылық. Химия, 11 сынып, дидактикалық материал.

Бензолдың көптеген өзіндік ерекшеліктерінің ішінде оның хош иістілігі оның неге соншалықты белсенді емес екендігінің маңызды факторы болып табылады. Бұл бөлімде хош иістілік теориясын және хош иістігі осы конъюгацияланған алкендерді Br2 және тіпті тұз қышқылы сияқты қосылыстарға инертті ететін ерекше қасиеттер беретіндігін нақтылауға тырысамыз. Ол сонымен бірге бензолдың алты конъюгацияланған көмірінің әсерінен өте үлкен резонанстық энергия туралы егжей-тегжейлі қарастырылады.

P-орбитальды көміртектердің sp2 будандастырылған көмірсуларына делокализациясы бензолдың хош иісті қасиеттерін береді.

Бұл диаграммада екі «пончиктің» кез-келген жерінде табуға болатын екі делокализацияланған электрон бар молекулалық орбитальдардың бірі көрсетілген. Басқа молекулалық орбитальдар ешқашан тартылмайды.

• Бензол (C6H6C6H6) - көміртегі атомдарының әрқайсысына сутегі атомы қосылған алты жазық молекула.
• Алты көміртегі атомы өте жақсы тұрақты алтыбұрышты құрайды. Барлық көміртек-көміртек байланыстары бірдей ұзындыққа ие - жалғыз және қосарланған байланыс арасындағы жерде.
• Сақина жазықтығынан жоғары және төмен орналасқан делокализацияланған электрондар бар, ол бензолды тұрақты етеді.
• Бензол қосымша реакцияларға төтеп береді, өйткені бұл реакциялар делокализацияны бұзып, тұрақтылықты жоғалтады.

Бензолдың хош иістілігі себебінен алынған молекула әрбір C-C байланысының ұзындығы 1,39 Å, ал байланыстың әрбір бұрышы 120 ° болатын түзу түрінде болады. Өзіңізден барлық байланыстардың ұзындығы бірдей болуы мүмкін екенін сұрай аласыз, егер сақина жалғыз (1.47 Å) және қос (1.34 Å) екеуімен біріктірілген болса, бірақ бір-бірінен айырмашылығы жоқ бір немесе бір-біріне назар аудару керек. қос бензол ішіндегі байланыс. Сақинаның делокализациясы көмірсутектер арасындағы әрбір санақтың бір жарым байланысын құрайды, бұл мағынасы бар, өйткені тәжірибе жүзінде біз байланыстың нақты ұзындығы бір және қос байланыс арасында болатындығын білеміз. Соңында хош иісті сақинаның үстінде және астында тұрақтандырушы электрон бұлттарын құрайтын алты р-орбитальды электрон бар.

Егер бензол температураны жоғарылату және / немесе катализаторды қосу арқылы реакцияға түсуге мәжбүр болса, онда алкендерге тән реакциялар емес, алмастыру реакциялары жүреді. Бұл алты көміртекті бензол ядросының химиялық модификацияға ерекше тұрақтылығы туралы алдыңғы нұсқаны растайды. Концептуалды қайшылық көптеген жылдар бойы қанықпау деңгейімен (төмен H: C қатынасы) және бензол мен соған байланысты қосылыстардың жоғары химиялық тұрақтылығымен ұсынылды. Ақырында, кәдімгі алтыбұрышты, көміртектердің планарлық сақинасының қазіргі құрылымы қабылданды, ал осы жүйенің ерекше термодинамикалық және химиялық тұрақтылығы конъюгацияланған циклдік триеннің резонанстық тұрақтандырылуына жатқызылды.

Бензолдың жоғары тұрақтылығы

Мұнда тұрақты қосылыс үшін екі құрылымдық және энергетикалық эквивалентті электронды құрылым жазылады, бірақ бірде-бір құрылым шынайы молекуланың дәл немесе тіпті тиісті көрсетілуін қамтамасыз етпейді. Бензолдағы алты мүшелі сақина - бұл алтыбұрыш (барлық көміртек-көміртек байланысының ұзындығы бірдей - 1,40 Å). Циклогатриеннің салымшылары ауыспалы облигациялардың ұзындығын көрсетеді, қос облигациялар бір облигацияларға (1,54 () қарағанда қысқа болады (1,34 Å). Бензолға балама ұсыныс (алтыбұрыш шеңберіндегі шеңбер) осы молекуладағы пи-электронның бөлінуін баса көрсетеді және жалғыз диаграмманың артықшылығы бар. Осындай жағдайларда резонанс арқылы сипатталған электронды делокализация молекулалардың тұрақтылығын арттырады, ал мұндай молекулалардан тұратын қосылыстар көбінесе ерекше тұрақтылық пен байланысты қасиеттерді көрсетеді.

Бензолдың жақсартылған термодинамикалық тұрақтылығына алты көміртегі сақинасындағы қос байланыс гидрогенденген кезде шығарылған жылуды өлшеуден алынған (сутегі каталитикалық түрде қосылады) жалпы өнім ретінде циклогександы беру. Төмендегі диаграммада циклогексан энергияның төмен деңгейіне сілтеме жасайды. Сутегі циклогексенге қосылса, циклогексан шығарады және бір шарға 28,6 ккал жылу шығарады. Егер бір қос байланысты алты көміртекті сақинаға енгізудің энергия құнын көрсету үшін осы мәнді алсақ, толық гидрогенизация кезінде циклогекадиен мольге 57,2 ккал, ал 1,3,5-циклохатриен 85,8 ккал шығарады деп күтеміз. мең. Гидрогенизацияның бұл жылулары қосылыстардың салыстырмалы термодинамикалық тұрақтылығын көрсетеді. Іс жүзінде 1,3-циклогекадиен күткеннен гөрі тұрақты, шамамен 2 ккал құрайды, мүмкін қос байланыстың конъюгациясы нәтижесінде. Бензол, дегенмен, ерекше 36 ккал / моль күтілгеннен тұрақты. Тұрақтылықты жақсартудың бұл түрі қазір барлық хош иісті қосылыстарға тән.

Бензолдың молекулалық орбиталық сипаттамасы «хош иісті» көп қанағаттандырарлық және жалпы емдеуді қамтамасыз етеді. Бензол планарлы алтыбұрышты құрылымға ие екенін білеміз, онда барлық көміртегі атомдары sp2 гибридтеніп, барлық көміртегі-көміртек байланыстары ұзындыққа тең. Төменде көрсетілгендей, алты р-орбиталдың қалған циклдік массиві (әр көміртегіде біреуі) алты молекулалық орбитал, үш байланыс және үш антидене алу үшін қабаттасады. Диаграммада көрсетілген плюс және минус белгілері электростатикалық зарядты білдірмейді, бірақ осы орбитальдарды сипаттайтын теңдеулердегі фазалық белгілерге сілтеме жасайды (диаграммада фазалар да түсті кодталған). Фазалар сәйкес болғанда, орбитальдар ұқсас фазаның жалпы аймағын құру үшін қабаттасады, бұл орбиталдардың ең көп қабаттасуы (мысалы, π1) энергиясы ең аз болады. Қалған көміртек валенттілігі электрондары осы молекулалық орбиталдарды жұпқа алады, нәтижесінде молекулалық орбитальдар толық орналасқан (6 электрон). Толығымен толтырылған байланыстырушы орбитальдар жиынтығы немесе жабық қабық бензол сақинасына оның термодинамикалық және химиялық тұрақтылығын береді, өйткені толтырылған валентті қабық октет инертті газдардың тұрақтылығын қамтамасыз етеді.