苯是芳烴中用途最廣和結(jié)構(gòu)最簡單的一個化合物,并且絕大部分的芳烴中都含有苯環(huán)結(jié)構(gòu),所以苯是芳烴中最突出的典型代表物。我們要很好地了解芳烴,就必須了解苯的結(jié)構(gòu),否則,就不可能清楚地揭示芳烴的本質(zhì)。
根據(jù)近代物理方法如光譜法、電子衍射法、X-射線法等對苯進(jìn)行研究的結(jié)果表明:苯分子是一個平面等邊六角形結(jié)構(gòu),各個鍵角為120°,六角環(huán)上碳-碳原子之間的鍵長都是1.40Å,即它既不同于ー般的單鍵(C-C鍵鍵長為1.54Å)、也不同于一般的雙鍵(C=C鍵鍵長為1.33Å),而是一種介于單鍵和雙鍵之間的獨(dú)特的鍵。
按照軌道雜化理論:苯分子中六個碳原子都以sp2雜化軌道相互重迭形成六個C-Cσ鍵,又各以一個sp2雜化軌道分別與氫原子的1s軌道重迭形成六個C-Hσ鍵。由于sp2雜化,所以鍵角為120°,并且所有的原子都在同一個平面上(圖1-23)。環(huán)的每個碳原子上還有一個未參與雜化的2pz軌道,其軌道中的p電子云垂直于環(huán)的平面,并且在側(cè)面相互重迭(圖1-24),形成一個閉合的大π鍵,均勻?qū)ΨQ地分布在整個環(huán)上,如圖1-25所示。大π鍵的形成,使π電子云不再為某兩個碳原子所有,而是為六個碳原子所共有,這樣,π電子云被完全平均化了,所以苯分子中六個C-C鍵的鍵長都是等同的。此外,還由于π電子云在整個苯環(huán)上運(yùn)動,受到六個碳原子核的共同吸引,電子云產(chǎn)生較大的收縮,結(jié)果就使彼此結(jié)合得較牢,整個體系的能量也最小,所以苯環(huán)比一般的不飽和化合物穩(wěn)定,即不易發(fā)生加成反應(yīng)和氧化反應(yīng),面易發(fā)生取代反應(yīng),這就是苯的特性。這種特性叫做芳香性。苯的大π鍵結(jié)構(gòu)很好地解釋了苯的芳香性。
然而,“人類認(rèn)識的歷史告訴我們,許多理論的真理性是不完全的,經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)而糾正了它們的不完全性。許多理論是錯誤的,經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)而糾正其錯誤。”軌道雜化理論雖然很好地解釋了苯的芳香性,但至今尚有許多其他問題還不能圓滿地加以解釋,用它來能動地改造客觀世界,差距就更大,因此關(guān)于苯分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)尚有待在實(shí)踐中進(jìn)一步的發(fā)展與完善。對待有機(jī)化學(xué)中有關(guān)分子結(jié)構(gòu)所作的理論解釋,我們都應(yīng)采取這種態(tài)度。
在表示苯的結(jié)構(gòu)時,為了簡便起見,通常仍用滿足碳四價的單、雙鍵表示法:,但決不能錯誤地認(rèn)為苯就是由交替的單、雙鍵組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在有些書中,亦有在六角環(huán)中畫個圓圈
以表示苯的結(jié)構(gòu)的。
關(guān)于苯的結(jié)構(gòu)問題,長期來一直存在著爭論,在這場爭論中,始終存在著兩種世界觀的斗爭,一些資產(chǎn)階級學(xué)者總是企圖以形而上學(xué)的觀點(diǎn)來解釋它,三十年代初期出現(xiàn)的“共振論”就是一例。
共振論者認(rèn)為苯分子在基態(tài)時存在著下列五種不同的結(jié)構(gòu),而它的真實(shí)結(jié)構(gòu)是“共振”于這些結(jié)構(gòu)之間,并用雙箭頭↔表示共振,將這五種共振結(jié)構(gòu)連接起來以表示苯分子:
我們知道,任何一種化合物的分子,在基態(tài)時都有其特定的結(jié)構(gòu),而且是完全可以認(rèn)識的。共振論者卻人為地虛構(gòu)出苯分子的多種結(jié)構(gòu),顯然,這樣的思想方法和表示方法,非但不能反映苯分子內(nèi)部的本質(zhì),反而使客觀存在的苯分子變得不可思議,其結(jié)果就必然使人們對分子結(jié)構(gòu)陷入不可知論的泥坑。
共振論者自己也承認(rèn)這個“理論”存在著“主觀隨意性”,是“人為的概念”,但可以“便利”化學(xué)問題的討論。這就清楚地看出,共振論者是以方便與否作為衡量科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn),完全暴露出共振論者的思想是唯心主義的和實(shí)用主義的。
共振論的出現(xiàn)和流傳,對有機(jī)化學(xué)這門科學(xué)的發(fā)展起了阻礙作用,它除了把有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的研究引向不可知論的岐途外,還使人們滿足于牽強(qiáng)附會地解釋某些現(xiàn)象,從而放棄探求分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)。這充分說明了自然科學(xué)只有在辯證唯物主義思想指導(dǎo)下才有無限發(fā)展的前途。