17.5 : מבנה בנזן: מודל אורביטל מולקולרי

על פי מודל האורביטל המולקולרי (MO), לבנזן יש מבנה מישורי עם משושה רגיל של שישה פחמנים מוכלאים sp^2. כפי שמוצג באיור 1, כל פחמן קשור לשלושה אטומים אחרים עם זוויות קשר C–C–C ו-H–C–C של 120°. אורך הקשר C-H הוא 109 pm, ואורך הקשר C-C הוא 139 pm שזה באמצע הדרך בין אורך הקשר היחיד של פחמנים מוכלאים sp^3 (154 pm) ופחמנים מוכלאים sp^2 (133 pm).

לאטומי הפחמן יש גם אורביטל אטומי 2p לא מוכלא עם אלקטרון אחד, בניצב למישור הטבעת, החופף לאורביטלי p של פחמנים שכנים, ויוצר לולאה רציפה של אלקטרונים π מעל ומתחת למישור הטבעת. על פי תיאוריית האורביטלים המולקולריים (MO), ששת האורביטלים ה-2p הללו מתאחדים ויוצרים שישה π אורביטלים מולקולריים טבעתיים (MOs) ψ_1, ψ_2, ψ_3, ψ_4, ψ_5 ו-ψ_6, כפי שמוצג באיור למטה. ביניהם, ψ_1, ψ_2 ו-ψ_3 הם קושרים, ואילו ψ_4, ψ_5 ו-ψ_6 הם MOs אנטי קושרים. באופן כללי, האנרגיה של ה-MOs ומספר הצמתים גדלים מ-ψ_1 ל-ψ_6, בעוד שאינטראקציית ההתקשרות פוחתת. עם זאת, MOs אלה של מערכות טבעתיות שונות מהמערכות הליניאריות כגון 1,3-butadiene בכך שיש להם שני MOs מנוונים.

לחיבור האנרגיה הנמוך ביותר MO, ψ_1, אין nodes שבהם כל האורביטלים נמצאים בפאזה. ל-MO הנמוך הבא יש node אחד וניתן לייצג אותו בשתי דרכים, כאשר nodal plane עובר דרך קשר או אטום. שני ה-MO המקשרים הללו מנוונים ומיוצגים כ-ψ_2 ו-ψ_3. באופן דומה, שני nodal planes יכולים לעבור דרך קשרים או אטומים, ולספק שני MOs מנוונים אנטי קושרים של ψ_4 ו-ψ_5. ל-MO הסופי, ψ_6, יש את האנרגיה הגבוהה ביותר, עם שלושה nodal planes המייצגים את השילוב מחוץ לפאזה של כל האורביטלים p.

ששת האלקטרונים π היוצרים מעטפת סגורה של צפיפות אלקטרונים π דה-לוקאלית מעל ומתחת למישור הטבעת תופסים את שלושת ה-MO הקושרים, ψ_1, ψ_2 ו-ψ_3, שהאנרגיות שלהם נמוכות מזו של האורביטל p המבודד, ובכך מובילים ליציבות יוצאת דופן של בנזן.