17.5 : 벤젠의 구조: 분자 궤도 모델

분자 궤도(MO) 모델에 따르면 벤젠은 6개의 sp^2 혼성 탄소로 구성된 정육각형의 평면 구조를 가지고 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 각 탄소는 120°의 C-C-C 및 H-C-C 결합각으로 3개의 다른 원자와 결합되어 있습니다. C-H 결합 길이는 109pm이고 C-C 결합 길이는 139pm이며 이는 sp^3 혼성화 탄소의 단일 결합 길이(154pm)와 sp^2 혼성화 탄소(133pm)의 중간입니다.

탄소 원자는 또한 고리 평면에 수직인 하나의 전자를 갖는 혼성화되지 않은 2p 원자 궤도를 가지며, 이는 이웃 탄소의 p 궤도와 겹쳐 고리 평면 위와 아래에 π 전자의 연속 루프를 형성합니다. 분자 궤도(MO) 이론에 따르면, 이 6개의 2p 궤도는 결합하여 아래 그림과 같이 6개의 π 순환 분자 궤도(MO) ψ_1, ψ_2, ψ_3, ψ_4, ψ_5 및 ψ_6을 형성합니다. 그 중 ψ_1, ψ_2, ψ_3은 결합이고, ψ_4, ψ_5, ψ_6은 반결합 MO이다. 일반적으로 MO의 에너지와 노드 수는 ψ_1에서 ψ_6으로 증가하는 반면 결합 상호 작용은 감소합니다. 그러나 이러한 순환 시스템의 MO는 두 개의 축퇴 MO를 갖는다는 점에서 1,3-부타디엔과 같은 선형 시스템과 다릅니다.

가장 낮은 에너지 결합 MO인 ψ_1에는 모든 궤도가 같은 위상에 있는 노드가 없습니다. 다음으로 낮은 MO는 하나의 노드를 가지며 노드 평면이 결합 또는 원자를 통과하는 두 가지 방식으로 표현될 수 있습니다. 이 두 결합 MO는 축퇴되어 ψ_2 및 ψ_3으로 표시됩니다. 마찬가지로 두 개의 절점 평면은 결합이나 원자를 통과하여 ψ_4 및 ψ_5의 두 개의 축퇴 방지 결합 MO를 제공할 수 있습니다. 최종 MO인 ψ_6은 가장 높은 에너지를 가지며, 모든 p 오비탈의 위상차 조합을 나타내는 3개의 노드 평면이 있습니다.

링 평면 위와 아래에 비편재화된 π 전자 밀도의 닫힌 껍질을 형성하는 6개의 π 전자는 3개의 결합 MO, ψ_1, ψ_2 및 ψ_3를 차지하며, 그 에너지는 고립된 p 오비탈의 에너지보다 낮아서 벤젠의 특이한 안정성을 이끌어 냅니다.