ESTRUCTURA DEL BENCENO
Michael Faraday descubrió el benceno en 1825, en el residuo que quedaba al destilar el aceite de ballena para obtener gas de alumbrado. Eilhard Mitscherlich determinó que la fórmula del benceno es C6H6. Friedrich August Kekulé advirtió por primera vez, que tanto el benceno como sus derivados tienen la facultad de conservar la unidad del anillo bencénico, aun después de soportar reacciones químicas de diverso orden.
La estructura del benceno ha sido extensamente estudiada. Los resultados experimentales indican que la fórmula tiene la forma de un hexágono regular, con los átomos de carbono en sus vértices conformando un sistema de enlaces dobles conjugados (se presentan alternados con enlaces simples); y un átomo de hidrógeno unido a cada carbono.
Por aquel entonces ya se sabía que el benceno presentaba un solo derivado con sustituyentes vecinales (sobre carbonos adyacentes), pero la fórmula de Kekulé presuponía dos derivados diferentes: uno con los sustituyentes en los carbonos unidos por enlaces simples, y el otro con dichos sustituyentes sobre los carbonos unidos por enlaces dobles. Para obviar esta inconsistencia, Kekulé propuso la existencia de las dos estructuras que se dan a continuación, de las cuales dijo se alternaban en un sistema en equilibrio y lo hacían tan rápidamente, que era imposible separar los dos isómeros disustituidos; de ahí que sólo se conociera a uno. La propuesta fue, entonces:
Pero tampoco resultó una solución acertada.
Resonancia en el benceno
Hechos experimentales relativamente recientes indican que las distancias carbono-carbono en la molécula del benceno son exactamente iguales, en contradicción con la fórmula de Kekulé que presentan enlaces simples y dobles, cuya longitud es diferente. En efecto, se conocen los siguientes valores:
Esta y otras evidencias experimentales llevaron a considerar la estructura del benceno desde otros puntos de vista. Uno de ellos es la teoría de la resonancia, que se aplica en los casos en que no es posible lograr para un compuesto una fórmula estructural única que esté de acuerdo con los hechos experimentales.
Con base en dicha teoría, ninguna de las dos estructuras propuestas por Kekulé como partícipes de un sistema de equilibrio es la correcta, pero sí son contribuyentes de la estructura real, que sería un híbrido entre ellas. Esta concepción molécular se representa de la siguiente manera:
Así, pues, ni la fórmula I ni la II representan correctamente el benceno, ya que su verdadera estructura es una intermedia entre las dos, lo que se denota por la flecha de doble punta.
La estructura real de la molécula de benceno es un híbrido entre las dos estructuras contribuyentes que aquí se muestran.
De todos modos, para la gran mayoría de los propósitos, basta utilizar una sola de las estructuras contribuyentes, sin dejar de reconocer sus limitaciones.
El benceno según la teoría del orbital molecular
Otra aproximación a la verdadera estructura del benceno la obtenemos con base en la teoría del orbital molecular. De acuerdo con esta teoría, los átomos de carbono de la molécula de benceno están hibridados trigonalmente (orbitales sp2), lo que está de acuerdo con los ángulos de enlace de 120º en la fórmula hexagonal.
Dos de los orbitales sp2 de cada carbono se superponen con los de sus vecinos para formar el anillo hexagonal. El tercer orbital sp2 forma enlace con el respectivo átomo de hidrógeno. Todos estos enlaces, tanto carbono-carbono como carbono-hidrógeno, son de tipo sigma.
Ahora bien, recordemos que en la hibridación trigonal el cuarto electrón del átomo de carbono permanece en el orbital 2pz, el cual no se ha hibridado y es perpendicular al plano de los orbitales híbridos.
De esta manera, cada átomo de carbono estaría en capacidad de formar un enlace pi con su vecino. Pero como son dos los átomos vecinos, existen las dos alternativas de enlace.
Como no es posible que una molécula presente simultáneamente las dos estructuras, lo que ocurre es que los electrones p (seis en total) forman conjuntamente un sistema pi que adquiere la forma de un anillo con dos regiones, una por encima y otra por debajo del plano de los enlaces sigma. Para hacer énfasis en este sistema pi deslocalizado, la fórmula estructural del benceno se representa a veces mediante un hexágono regular con un círculo inscrito. Este círculo se conoce comúnmente como anillo aromático.
PREGUNTA: ¿Cuál es la teoría que se aplica en los casos en que no es posible lograr para un compuesto una fórmula estructural única que esté de acuerdo con los hechos experimentales?