Delokalizacja elektronów w benzenie

1. Tajemnicze wiązania w benzenie

Być może nigdy się nad tym nie zastanawiałeś, ale cząsteczkę benzenu właściwie zawsze można narysować na dwa sposoby:

Cząsteczkę benzenu możemy narysować na dwa sposoby.

Jakby tego nie narysować, to oba wzory Lewisa zakładają, że cząsteczka benzenu ma dwa różne rodzaje wiązań − łącznie trzy wiązania pojedyncze (CーC) oraz trzy wiązanie podwójne (C=C). Prawdę można poznać tylko poprzez odpowiednie badania eksperymentalne, które ujawniają ciekawą informację.

Na czym ten eksperyment będzie polegał? No więc weźmiemy mikroskopową linijkę[1] i zmierzymy długość wiązania pomiędzy atomami węgla. Aby zrozumieć wynik eksperymentu, musimy przypomnieć sobie, które wiązania były krótsze, a które dłuższe. Mówiliśmy o tym osobno w poście dotyczącym opisu wiązań chemicznych, a teraz tylko przypomnimy to, co dla nas najważniejsze, czyli porównanie długości i mocy wiązań pomiędzy atomami węgla.

WiązanieC―CC = C
Długość wiązania  (średnia wartość, pm)154134
Porównanie długości i mocy wiązań pomiędzy atomami węgla.

Otóż okazuje się, że wszystkie wiązania w benzenie są takie same! I co ciekawe, długość wiązania nie odpowiada ani wiązaniu pojedynczemu, ani podwójnego, jest tak mniej więcej pośrodku (pomiędzy) tymi wartościami. Długość wiązania pomiędzy atomami węgla wynosi 139 pm.

Czyli, czyli… jakby tam było coś, co udaje wiązanie pomiędzy pojedynczym, a podwójnym ? Taki ni Cristiano, ni Ronaldo. Ni to pojedyncze, ni podwójne wiązanie. Za rozwiązaniem tej zagadki stoi zagadnienie, które nazywa się delokalizacją elektronów.

2. Co to jest delokalizacja elektronów ?

Okazuje się, że elektrony pi w benzenie grają w berka, biegając po całym pierścieniu w kółko, a więc innymi słowy, nie stoją one w jednym miejscu jak widły w gnoju. I to właśnie starał się przedstawić zapis cząsteczki benzenu pokazany na samym początku. Zwróciłeś uwagę, że pojawiła się tam też taka inna strzałka, której jeszcze nigdy nie widzieliśmy?

Co to jest delokalizacja elektronów na przykładzie benzenu.

Tą próbę delokalizacji w starej literaturze przedstawia się za pomocą nieprofesjonalnego już kółka w środku.Ty już jednak tak nie rysuj. Jest to niezalecany, żeby nie powiedzieć błędny zapis zgodnie z IUPAC.

Benzen z kółkiem

I teraz benzen (i węglowodory aromatyczne) jest akurat w tej delokalizacji wyjątkowy. To również kluczowa rzecz, która odróżniała tą klasę związków od np. alkenów czy innych węglowodorów! Na przykład w propenie akurat te elektrony znajdują się w jednym miejscu.

3. Do czego to porównać ?

Można by też zadać pytanie : to która forma benzenu jest poprawna, ta po lewej czy po prawej ? A może obie są poprawne, albo żadna nie jest poprawna?

Który wzór jest poprawny?

Żadna! Prawidłowa forma będzie się nazywać hybrydą rezonansową, której jeszcze tu nie pokazałem, ponieważ… ciężko to jakkolwiek narysować. Jedną z prób byłby właśnie wspomniany przed chwilą benzen z kółkiem w środku. Czy z biolki pamiętasz może co to jest hybryda?

Hybryda to taki mieszaniec − suchar[2]. Przykładem hybrydy jest muł, czyli mieszaniec konia i osła. I teraz tak : czy mogę powiedzieć, że muł to jest to samo co koń? Albo odwrotnie, czy muł to jest to samo co osioł ? Nie!

I teraz zobacz, jeśli ktoś nie wie jak wygląda muł (np. ja jestem bardzo słaby z biologii), to mogę mu powiedzieć, że to taka jakby mieszanina konia i osła, bo te dwa zwierzęta dobrze zna i na ich podstawie może sobie wyobrazić jak będzie wyglądał muł. Tu jest dokładnie tak samo!

Porównanie delokalizacji do hybrydy powinno pomóc Ci zrozumieć temat.

My też rysujemy dwie takie formy graniczne, nazywa się je ładnie formami (strukturami) rezonansowymi, na podstawie której jesteśmy w stanie sobie wyobrazić jak wygląda hybryda rezonansowa, czyli rzeczywista struktura. Ale nie rysujemy tej hybrydy, bo po prostu nie ma takich chemicznych narzędzi do tego[3].

4. Czemu benzen jest mniej reaktywny niż alkeny ?

Albo formułując inaczej pytanie : ,,Dlaczego alkeny odbarwiają wodę bromową, a benzen już nie” ? Teraz jesteśmy w stanie nawet odpowiedzieć na to pytanie!

Kiedy alken reaguje z bromem, to pierwszy etap polega na ataku wiązania pi (czyli elektronów pi) na cząsteczkę bromu, która chciałaby te elektrony przyjąć. Analogicznie powinno to wyglądać w benzenie (jeśli będziemy go traktować jako alken). Tylko w zwykłych alkenach nie ma delokalizacji elektronów, one znajdują się w jednym miejscu. W benzenie natomiast wiemy, że te elektrony zasuwają po całym benzenie, są szalone, niezrównoważone i ciężej im się ,,zorganizować” żeby na ten brom zaatakować.

Można to fajnie przyrównać. Wyobraźmy sobie, że elektrony są jak woda, którą nalaliśmy do kubka, a w drugim eksperymencie wylaliśmy ją na podłogę. W pierwszej sytuacji, elektrony są rozlane na bardzo mają objętość kubka, a w drugim są rozlane po całej podłodze. Więc skąd łatwiej się napić, gdzie te elektrony są łatwiej dostępne?

Kubkiem z wodą byłby tutaj alken, bo elektrony pi są zlokalizowane pomiędzy jednym, a drugim atomem węgla i są łatwo dostępne do ataku na cząsteczkę bromu. Drugi przykład to cząsteczka benzenu, w której elektrony pi są rozlane po całej jej cząsteczce.

Czemu benzen nie odbarwia wody bromowej ?

[1] Rolę mikroskopowej linijki spełnia tutaj technika nazywana rentgenografią strukturalną.

[2] Tak wiem, brzydki, obrzydliwy, szowinistyczny żart. Ale to tylko po to, żeby zapamiętać co to jest ta hybryda, także nie bądź zły/zła… Co powstanie w wyniku skrzyżowania psa husky z blondynką (czyli robimy hybrydę, przyp. autor)? Nie wiem, ale na pewno … [ocenzurowane przez żonę]…. Zakończenie pozostanie jedynie w sferze domysłów… 

[3] Zwykle jest tak, że ucząc się koncepcji rezonansu (czyli tej całej delokalizacji) nie mamy problemu z pojęciem samej istoty rezonansu, tylko z brakiem odpowiedniego narzędzia, który by tą rzeczywistą cząsteczkę (benzenu w naszym przypadku) przedstawiał.

[4] I to samo w sobie jest spoko porównanie, bo właśnie elektrony są jak woda i jeśli mogą to się rozlewają (czyt. delokalizują!). Dokładnie tak samo jest jak wylejesz wodę z kubka na podłogę, ona się przecież rozleje! Po prostu takie zachowanie prowadzi do stanu obniżonej energii, a do tego generalnie cząsteczki dążą (jak zwykle, robimy uproszczenia). 

Leave a Reply

%d bloggers like this: