17.5 : هيكل البنزين: النموذج المداري الجزيئي

وفقًا للنموذج المداري الجزيئي (MO)، يمتلك البنزين بنية مستوية ذات شكل سداسي منتظم يتكون من ستة ذرات كربون مهجنة من نوع sp². كما هو موضح في الشكل 1، يرتبط كل كربون بثلاث ذرات أخرى بزوايا رابطة C–C–C وH–C–C تبلغ 120 درجة. يبلغ طول الرابطة C – H 109 pm، ويبلغ طول الرابطة C – C 139 pm وهو في منتصف الطريق بين طول الرابطة الفردية للكربون المهجن sp³ (154 pm ) والكربون المهجن sp² (133 pm ).

تحتوي ذرات الكربون أيضًا على مدار ذري غير مهجن 2p مع إلكترون واحد، متعامد على مستوى الحلقة، والذي يتداخل مع مدارات p للكربونات المجاورة، مما يشكل حلقة مستمرة من إلكترونات π أعلى وأسفل مستوى الحلقة. وفقًا لنظرية المدار الجزيئي (MO)، تتحد هذه المدارات الستة 2p لتشكل ستة مدارات جزيئية حلقية (MOs) ψ₁ وψ₂ وψ₃ وψ₄ وψ₅ وψ₆، كما هو موضح في الشكل أدناه. من بينها، ψ₁ وψ₂ وψ₃ عبارة عن روابط، في حين أن ψ₄ وψ₅ وψ₆ هي مدارات جزيئية مضادة للترابط. وبشكل عام، تزداد طاقة المدارات الجزيئية وعدد العقد من ψ₁ إلى ψ₆، بينما يتناقص تفاعل الترابط. ومع ذلك، فإن هذه المدارات الجزيئية للأنظمة الحلقية تختلف عن الأنظمة الخطية مثل 1،3-بوتادين من خلال وجود مدارين جزيئيين متحللين.

أدنى رابطة للطاقة MO، ψ₁، لا تحتوي على عقد حيث تكون جميع المدارات في الطور. يحتوي MO الأقل طاقة التالي على عقدة واحدة ويمكن تمثيله بطريقتين، حيث يمر المستوى العقدي عبر رابطة أو ذرة. يتم تحليل هذين المدارين الجزيئيين الرابطين على أنهما ψ₂ وψ₃. وبالمثل، يمكن تمر مستويي العقدتين عبر روابط أو ذرات، مما يوفر اثنين من MOs المضادين المتحللين لـ ψ₄ وψ₅. يحتوي المدار الجزيئي الأخير، ψ₆، أعلى طاقة، مع ثلاث مستويات عقدية تمثل مزيجًا خارج الطور لجميع p المدارات.

تشغل إلكترونات π الستة التي تشكل غلافًا مغلقًا من كثافة إلكترون π غير المتمركزة أعلى وأسفل مستوى الحلقة، المدارات الجزيئية الرابطة الثلاثة، ψ₁ وψ₂ وψ₃، والتي تكون طاقاتها أقل من طاقات المدار p المعزول، مما يؤدي إلى استقرار غير عادي للبنزين.