Ein ungesättigtes Rätsel
Benzol hat die Summenformel C₆H₆ — so wenige H-Atome sprechen für viele Mehrfachbindungen. Doch Bromwasser wird nicht entfärbt: Benzol verhält sich ganz anders als ein Alken.
- Befund 1:keine Addition von Brom; nur mit Katalysator (FeBr₃) findet eine Substitution statt.
- Befund 2:Es gibt nur ein Monobrombenzol und nur ein 1,2-Dibrombenzol.
- Kekulé (1865):Sechsring aus C-Atomen mit drei abwechselnden Doppelbindungen; um Befund 2 zu erklären, sollten die Doppelbindungen ständig „hin- und herspringen“.
Befund: Benzol entfärbt Bromwasser nicht; nur mit Katalysator \(\ce{FeBr3}\) findet eine Substitution statt, keine Addition.
Kekulé-Modell: Mit drei festen Doppelbindungen wären die Bindungen abwechselnd 154 pm und 134 pm lang.
Messung: Alle sechs C–C-Bindungen sind gleich lang (139 pm): Der Ring ist ein regelmäßiges Sechseck.
Bromierung von Benzol: \(\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}\)
Miss die sechs C–C-Bindungen im Ring: Klicke eine Bindung an (Tastatur: Tab, Pfeiltasten, Enter) — der Messschieber zeigt ihre Länge. Miss zuerst im Kekulé-Modell, dann schalte auf „Messung“ um.
Halte fest: Nach Kekulé wären die Bindungen abwechselnd 154 pm und 134 pm lang. Gemessen werden sechs gleich lange Bindungen von 139 pm — der Ring ist ein regelmäßiges Sechseck.
Das Elektronensextett
- Gestalt:ebenes, regelmäßiges Sechseck; alle Bindungswinkel 120°, alle C–C-Bindungen gleich lang.
- σ-Gerüst:Jedes C-Atom ist sp²-hybridisiert und bildet drei σ-Bindungen (zwei C–C, eine C–H) in der Ringebene.
- π-System:Das übrige p-Orbital jedes C-Atoms steht senkrecht zur Ebene; alle sechs überlappen ringsum zu einer Elektronenwolke ober- und unterhalb des Rings.
- Delokalisiert:Die sechs π-Elektronen gehören dem ganzen Ring, nicht einzelnen Bindungen — Schreibweise: Sechseck mit Kreis.
Benzol: \(\ce{C6H6}\): sechs gleich lange C–C-Bindungen, sechs delokalisierte π-Elektronen (aromatisches Elektronensextett)
Gestalt: Benzol ist ein ebenes, regelmäßiges Sechseck mit Bindungswinkeln von 120°.
Bindung: Jedes C-Atom ist \(\mathrm{sp^2}\)-hybridisiert (drei σ-Bindungen in der Ringebene); die sechs p-Orbitale überlappen ringsum, die sechs π-Elektronen sind delokalisiert.
Aromaten: Ebene Ringe mit durchgehendem π-System aus \(4n+2\) π-Elektronen (Hückel-Regel).
Folge: Das Elektronensextett ist besonders stabil und bleibt erhalten: Substitution statt Addition.
- Aromaten:ringförmige, ebene Moleküle mit durchgehendem π-System aus 4n + 2 π-Elektronen (Hückel-Regel; Benzol: n = 1).
- Folge:Das Elektronensextett ist besonders stabil; bei Reaktionen bleibt es erhalten — Substitution statt Addition.
Allgemeine Hinweise
Keine drei Doppelbindungen
Die Kekulé-Formel ist nur eine Schreibweise. Im Molekül gibt es weder Einfach- noch Doppelbindungen, sondern sechs gleichwertige Bindungen mit delokalisierten π-Elektronen.
Benzol ist kein Cyclohexen
Aus der Formel C₆H₆ nicht auf Alken-Reaktionen schließen: Benzol addiert Brom nicht, sondern wird mit Katalysator substituiert — das aromatische System bleibt erhalten.
Aromat? Vier Fragen
Ist das Molekül ringförmig, eben, durchgehend mit p-Orbitalen besetzt — und ergibt die Zahl der π-Elektronen 4n + 2 (2, 6, 10 …)?