17.5 : Struktura benzenu: model orbitali molekularnych

Zgodnie z modelem orbitali molekularnych (MO), benzen ma strukturę planarną z regularnym sześciokątem złożonym z sześciu zhybrydyzowanych węgli sp^2.

Jak pokazano na rysunku 1, każdy węgiel jest związany z trzema innymi atomami przy kącie wiązania C – C – C i H – C – C wynoszącym 120°. Długość wiązania C – H wynosi 109 µm, a długość wiązania C – C wynosi 139 µm, czyli jest w połowie odległości pomiędzy długością pojedynczego wiązania węgli zhybrydyzowanych sp^3 (154 µm) i węgli zhybrydyzowanych sp^2 (133 µm).

Atomy węgla mają również niezhybrydyzowany orbital atomowy 2p z jednym elektronem, prostopadły do płaszczyzny pierścienia, który pokrywa się z orbitalami p sąsiednich węgli, tworząc ciągłą pętlę elektronów π powyżej i poniżej płaszczyzny pierścienia. Zgodnie z teorią orbitali molekularnych (MO) te sześć orbitali 2p łączy się, tworząc sześć cyklicznych orbitali molekularnych π (MO) ψ_1, ψ_2, ψ_3, ψ_4, ψ_5 i ψ_6, jak pokazano na poniższym rysunku. Wśród nich ψ_1, ψ_2 i ψ_3 wiążą się, podczas gdy ψ_4, ψ_5 i ψ_6 są antywiążącymi MO. Ogólnie rzecz biorąc, energia MO i liczba węzłów wzrasta od ψ_1 do ψ_6, podczas gdy oddziaływanie wiązania maleje. Jednakże te MO układów cyklicznych różnią się od układów liniowych, takich jak 1,3-butadien, tym, że mają dwa zdegenerowane MO.

Wiązanie MO o najniższej energii, ψ_1, nie ma węzłów, w których wszystkie orbitale są w fazie. Następny najniższy MO ma jeden węzeł i można go przedstawić na dwa sposoby, gdzie płaszczyzna węzłowa przechodzi przez wiązanie lub atom. Te dwa MO wiążące są zdegenerowane i reprezentowane jako ψ_2 i ψ_3.Podobnie, dwie płaszczyzny węzłowe mogą przechodzić przez wiązania lub atomy, zapewniając dwa zdegenerowane anty-wiążące MO ψ_4 i ψ_5. Końcowy MO, ψ_6, ma najwyższą energię, a trzy płaszczyzny węzłowe reprezentują kombinację poza fazą wszystkich orbitali p.

Sześć elektronów π tworzących zamkniętą powłokę o zdelokalizowanej gęstości elektronów π powyżej i poniżej płaszczyzny pierścienia zajmuje trzy wiążące MO, ψ_1, ψ_2 i ψ_3, których energie są niższe niż izolowany orbital p, co prowadzi do niezwykła stabilność benzenu.