Benzol: Resonanztheorie, Aromatizität & Molekülorbitaltheorie

Benzol ist ein Vertreter der Stoffklasse der Aromaten mit der Summenformel C₆H₆. Diese Bezeichnung bezog sich historisch auf den angenehmen Geruch einiger Vertreter dieser Stoffklasse, jedoch bezieht sich heute der Begriff Aromatizität in der Chemie auf eine strukturelle Verwandtschaft.

Resonanztheorie und Aromatizität

Benzol ist ein zyklischer Sechsring, bei dem die Einfach- und Doppelbindungen nicht zu unterscheiden sind. Alle Kohlenstoffatome sind sp²-hybridisiert. Die Bindungen zwischen ihnen (139 pm)  sind kürzer als bei Alkanen, aber etwas länger als es bei Alkenen (1,33 pm) der Fall ist.

Einzelne mögliche Lewisstrukturen geben nicht die kompletten chemischen Eigenschaften des Benzolmoleküls wieder. Dies wird erst durch die Gesamtheit der möglichen Lewis-Strukturen möglich. Es liegt also kein Gleichgewicht vor und es wird auch kein Gleichgewichtspfeil, sondern ein Resonanzpfeil verwendet.

Da alle Kohlenstoffatome sp²-hybridisiert sind, besitzen sie senkrecht zur Ringebene stehendes 2p-Orbital. Jedes dieser p-Orbitale kann mit seinen Nachbarn überlappen. Da jedes p-Orbital ein Elektron enthält, was sich über die anderen p-Orbitale bewegen kann, entsteht eine cyclische Elektronenwolke ober- und unterhalb der Ringebene des Benzolmoleküls.

Die Struktur des Benzols im Orbitalmodell

Hückelregel

Kann vorausgesagt werden, welches Molekül besonders stabil ist und welches nicht? Die als Hückel-Regel bezeichnete Definition besagt: Der aromatische Zustand einer Verbindung zeichnet sich durch (4n + 2) π-Elektronen in einer ringförmigen (cyclischen), ebenen (planaren) und konjugierten Molekülstruktur aus.

Diese Merkmale treffen auf die Molekülstruktur des Benzols mit seinen 6 π-Elektronen zu (n = 1). Die Hückel-Regel gilt aber auch für viele weitere Moleküle, beispielsweise solche, die 2, 10 oder 14 π-Elektronen besitzen. Die Anzahl oder Art der Atome im Ring und auch die Ladung des Moleküls ist für die Zuordnung eines Moleküls zu den Aromaten nicht entscheidend.

Moleküle, welche eine cyclische Delokalisation von 4n π-Elektronen aufweisen, werden Antiaromaten genannt. Diese sind extrem instabil und sehr reaktiv.

Beispiele für aromatische (A) Moleküle und nicht aromatische (B; antiaromatische) Moleküle.

Molekülorbitaltheorie des Benzols

Neben der Betrachtung der Benzolstruktur durch die Resonanztheorie, kann die Molekülorbitaltheorie helfen, die besonderen Eigenschaften des Benzols (und anderer Aromaten) besser zu verstehen. Werden die sechs p-Orbitale des Benzols linear miteinander kombiniert, ergeben sich insgesamt sechs Molekülorbitale, jeweils drei bindende und drei antibindende.

1. Drei antibindende Molekülorbitale, 2. Drei bindende Molekülorbitale, 3. nichtbindend

Jedes p-Orbital eines jeden Kohlenstoffatoms ist einfach besetzt, es sind also 6 Elektronen zu verteilen. Entsprechende der Hund'schen Regel werden sie auf die energetisch günstigsten Orbitale verteilt: die 3 bindenden Molekülorbitale. Die 3 antibindenden Orbitale bleiben leer. Die resultierende Elektronenkonfiguration ist besonders energiearm und erklärt die Entstehung der Resonanzenergie.