17.5 : Estructura del benceno: modelo de orbital molecular

Según el modelo de orbital molecular (MO), el benceno tiene una estructura plana con un hexágono regular de seis carbonos con hibridación sp^2. Como se muestra en la Figura 1, cada carbono está unido a otros tres átomos con ángulos de enlace C – C – C y H – C – C de 120 °. La longitud del enlace C – H es 109 pm y la longitud del enlace C – C es 139 pm, que está a medio camino entre la longitud del enlace simple de los carbonos con hibridación sp^3 (154 pm) y los carbonos con hibridación sp^2 (133 pm).

Los átomos de carbono también tienen un orbital atómico 2p no hibridado con un electrón, perpendicular al plano del anillo, que se superpone con los orbitales p de los carbonos vecinos, formando un bucle continuo de electrones π por encima y por debajo del plano del anillo. Según la teoría de los orbitales moleculares (MO), estos seis orbitales 2p se combinan para formar seis orbitales moleculares (MO) cíclicos π ψ_1, ψ_2, ψ_3, ψ_4, ψ_5 y ψ_6, como se muestra en la siguiente figura. Entre ellos, ψ_1, ψ_2 y ψ_3 son MO enlazantes, mientras que ψ_4, ψ_5 y ψ_6 son MO antienlazantes. Generalmente, la energía de los OM y el número de nodos aumenta de ψ_1 a ψ_6, mientras que la interacción de enlace disminuye. Sin embargo, estos MO de sistemas cíclicos se diferencian de los sistemas lineales como el 1,3-butadieno por tener dos MO degenerados.

El MO de enlace de menor energía, ψ_1, no tiene nodos donde todos los orbitales estén en fase. El siguiente MO más bajo tiene un nodo y se puede representar de dos maneras, donde el plano nodal pasa a través de un enlace o un átomo. Estos dos OM enlazantes son degenerados y se representan como ψ_2 y ψ_3. De manera similar, los dos planos nodales pueden pasar a través de enlaces o átomos, proporcionando dos MO antienlazantes degenerados de ψ_4 y ψ_5. El MO final, ψ_6, tiene la energía más alta, con tres planos nodales que representan la combinación desfasada de todos los orbitales p.

Los seis electrones π que forman una capa cerrada de densidad de electrones π deslocalizados por encima y por debajo del plano del anillo ocupan los tres OM de enlace, ψ_1, ψ_2 y ψ_3, cuyas energías son menores que las del orbital p aislado, lo que conduce a Estabilidad inusual del benceno.