Benzen – historia ustalania struktury
Choć benzen jako związek chemiczny znany jest już od blisko dwustu lat (jako pierwszy wyizolował i zidentyfikował go Michael Faraday w roku 1825), to jego budowa przez lata pozostawała dla chemików zagadką. Trzy najważniejsze struktury związków o wzorze sumarycznym C6H6, które potencjalnie mogły odpowiadać nieznanej strukturze benzenu, zostały zaproponowane przez Jamesa Dewara, Alberta Ladenburga i Augusta Kekulégo. Z każdą z tych struktur są jednak pewne problemy.
Na przykład w strukturze Dewara występują dwa różne rodzaje atomów węgla. Chemicy zaś dowiedli doświadczalnie, że w prawdziwym benzenie wszystkie atomy węgla są równocenne. Nawet sam twórca tej struktury nie uważał jej za odpowiedni model, stawiając raczej na strukturę Kekulégo.
Miał poniekąd rację, gdyż struktura ta najbliższa jest rzeczywistej strukturze benzenu. W 1929 roku krystalograf Kathleen Lonsdale empirycznie potwierdziła cykliczną strukturę benzenu.
Dziś możemy sobie wyobrazić jako strukturę pośrednią między dwiema strukturami Kekulégo (z zamienionymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi). Struktura taka, z sześcioma równocennymi wiązaniami węgiel-węgiel, mającymi charakter przejściowy między wiązaniem pojedynczym a podwójnym (wiązania σ i zdelokalizowane wiązania π tworzące chmury nad i pod płaszczyzną pierścienia) nie jest możliwa do przedstawienia za pomocą prostych modeli. Zwykle zatem prezentuje się benzen i jego pochodne jako jedną ze struktur Kekulégo.
Co ciekawe, zarówno „benzen Dewara” jak i „benzen Ladenburga” (pryzman) udało się zsyntetyzować. Jednak są to zupełnie inne związki, których właściwości – zarówno fizyczne jak i chemiczne – różnią się od właściwości prawdziwego benzenu.
Inspirującym ćwiczeniem dla uczniów, nie znających struktury benzenu, będzie samodzielne jej wymyślenie. Wystarczy do tego podstawowy (stuelementowy) zestaw do chemii organicznej. Zawiera on między innymi sześć atomów węgla z hybrydyzacją sp3 i sześć atomów węgla z hybrydyzacją sp2, co wystarczy do realizacji wszelkich uczniowskich pomysłów na budowę tego związku.
Dajemy więc uczniom podobne zadanie, przed jakim stanęli chemicy w XIX wieku. Wskazujemy, że wzór sumaryczny benzenu to C6H6, a wszystkie atomy węgla są równocenne i prosimy o zaproponowanie różnych struktur spełniających te warunki. Następnie rzeczowo omawiamy wady i zalety wszystkich uczniowskich propozycji.
Po takiej zabawie „Atomkami” uczniowie nigdy już nie zapomną jak wygląda wzór strukturalny benzenu. 😀
Łukasz Aranowski
7 marca 2023