BENZENE: Orbitali molecolari e superfici elettrostatiche

benzeneIl benzene, dalla formula bruta di C6H6, fu scoperto da vari chimici che lo ottennero da varie fonte naturali. Essi notarono subito l’alto grado di insaturazione presente nella molecola e perciò provarono ad applicare su questa molecola le reazioni tipiche atte a determinare la struttura degli alcheni.
La solfonazione, la bromurazione con Br2, l’attacco con permanganato di potassio non riuscivano però ad intaccare facilmente questa nuova molecola.
Quando questa reagisce con H2SO4 o con Br2 in presena di FeBr3, fornisce reazioni di sostituzione ma non di addizione. Questa molecola è ora capostipite di una nuova classe di sostanze organiche dette Aromatiche che esibiscono una struttura ed un comportamento chimico del tutto particolare. In breve qui riassiumiano i dati strutturali fin qui proposti:
1-) la struttura è quella di un esagono regolare con lunghezze di legame, comune ad ogni legame C-C, pari a 1.39 Å, più corti di quello di un ipotetico cicloesatriene che dovrebbe avere tre legami semplici, da1.54 Å, e tre legami doppi da 1.33 Å.

Libro di Testo di Chimica Organica2-) Presenta un calore di Idrogenazione quando forma il cicloesano di -49,8 kcal/mole, mentre quello teorico del cicloesatriene – 85,8 kcal/mole. Si ha quindi una maggiore stabilizzazione di circa 36kcal/mole che rende un po’ conto della più difficile reattività del benzene rispetto ad un alchene.
In un primo tempo fu proposto il concetto di risonanza, mentre ora il comportamento chimico fisico del benzene è spiegato attraverso la sua struttura orbitalica tutta particolare

La descrizione del Benzene attraverso la Teoria degli Orbitali Molecolari fornisce una spiegazione più soddisfacente ed un trattamento più generale della “aromaticità”. La sua struttura esagonale planare è spiegata mediante l’ibridzazione sp2 a formare legami sigma tra i C e con 6 H. I sei orbitali p che insistono sui 6 C si combinano a formare sei Orbitali Molecolari Pgreca: tre ad energia minore chiamati di legame e tre ad energia maggiore degli orbitali p originari detti di anti legame. Il colore che si trova sul grafico rappresenta il segno della fase dell’orbitale, non la carica elettrica. Dato che il numero di elettroni totali Pgreca sono 6, risultano occupati i tre orbitali Pgreca di legame, formando così un guscio completo che dà al benzene quella stabilità termodinamica e chimica, al pari di come un ottetto completo conferisce la stabilità al gas nobile.


Orbitale Pgreca a più bassa energia, delocalizzato su tutta la molecola
Due orbitali Pgreca di Legame (LUMO1 e LUMO2) degenri
Due Orbitali molecolare Pgreca di Antilegame (HOMO! e HOMO”) degeneri
Orbitale Pgreca di Antilegame a più alta energia, vuoto.
Di seguito viene mostrata la superficie di densità elettronica calcolata sulla superficie di Van Der Walls e su una distanza a 80% della distanza di Van Der Walls

Nel prossimo post si analizzerà il concetto di aromaticità e la regola di Huckel. Sarà introdotta una applet Java per costruire gli orbitali molecolari Pgreca approssimati di specie cicliche.