1.4 Benzol - Ermittlung der Strukturformel

Der Text auf dieser Seite bezieht sich auf den Foliensatz Benzol und aromatischer Charakter, den Sie bei Interesse bei mir erhalten können.

Wir wissen nun, dass Benzol die Summenformel C₆H₆ hat. Aber wie kann man die Strukturformel des Benzol bestimmen? Wenn man einmal versucht, mögliche Strukturformeln der Verbindung C₆H₆ aufzuzeichnen, so hat man sehr schnell zehn, zwanzig oder sogar dreißig verschiedene Strukturen zusammen. Hier nur drei Beispiele:

Wie kann man herausfinden, welches Strukturformel das Benzol wirklich hat? Sicherlich gibt es heute moderne Methoden wie zum Beispiel die Röntgenstrukturanalyse, mit denen man die Struktur einer Verbindung sehr gut analysieren kann. Aber wie hat man früher, im 19. Jahrhundert, als es solche Methoden noch nicht gab, die Struktur des Benzols herausgefunden? Wie ist der französische Chemiker KEKULÉ auf die berühmte Ringstruktur der Benzols gekommen?

Ermittlung einer Strukturformel mit Hilfe von Derivaten

Wir wollen uns das Grundprinzip der klassischen Vorgehensweise an einem etwas anderen Beispiel klar machen. Sie kennen die Verbindung Pentan mit der Summenformel C₅H₁₂. Wenn man n-Pentan, also das unverzweigte Isomer, mit Chlor zur Reaktion bringt, erhält man bekanntlich Chlor-pentan, Dichlor-pentan, Tricholor-pentan und so weiter. Uns interessieren hier aber nur die Monochlorierungsprodukte. Von denen gibt es genau drei Stück: 1-Chlor-pentan, 2-Chlor-pentan und 3-Chlor-pentan:

Weitere Monochlorpentane existieren nicht, denn 4-Chlor-pentan ist ja identisch mit 2-Chlor-pentan, und 5-Chlor-pentan ist das selbe wie 1-Chlor-pentan.

Führt man jetzt den gleichen Versuch mit 2-Methyl-Butan durch, einem Isomer des n-Pentans also (gleiche Summenformel), so erhält man nicht drei, sondern vier verschiedene Monochlor-Derivate, wie die folgende Abbildung zeigt:

Wenn man also wissen will, ob die Verbindung mit der Summenformel C₅H₁₀ eine unverzweigtes n-Pentan oder ein einfach verzweigtes 2-Methyl-butan ist, so muss man "nur" eine Chlorierung durchführen und dann die Anzahl der so erhaltenen Derivate (Abkömmlinge) zählen. Erhält man drei verschiedene Monochlor-pentane, so ist das Pentan unverzweigt, erhält man dagegen vier verschiedene Monochlor-pentane, so handelt es sich um das verzweigte 2-Methyl-butan.

Schon KEKULÉ schrieb im Jahre 1865:

Anwendung des Prinzips auf Benzol

Es gibt über 100 mögliche Strukturen für Benzol. Beschränken wir uns in unseren Betrachtungen einmal auf vier mögliche Strukturformeln, damit wir heute noch fertig werden. Die folgende Abbildung zeigt die möglichen Monobromierungsprodukte:

Bromiert man Benzol, kann man nur ein einziges Monobrombenzol nachweisen. Zwei der vier oben gezeigten Benzol-Strukturen scheiden damit schon einmal aus.

Geht man von 100 oder mehr möglichen Strukturformeln aus, so verbleiben natürlich wesentlich mehr Strukturformeln in der Liste der möglichen Strukturen. Bei 100 Kandidaten gibt es sicherlich 20 oder 30, die genau ein Monobrom-benzol liefern. Mit diesen verbliebenen Kandidaten macht man weitere Versuche, stellt zum Beispiel Dibrom-benzole her oder koppelt ein Chlor- und ein Brom-Atom an das Benzol. Auf diese Weise ist KEKULÉ zusammen mit vielen anderen Forschern schließlich zu der Ringstruktur gekommen, die noch heute gültig ist:

Danach besteht ein Benzol-Molekül aus sechs C-Atomen, die abwechselnd durch C-C-Einfach- und C=C-Doppelbindungen miteinander verbunden sind, sowie sechs H-Atomen. Das ganze Molekül hat eine ebene Struktur.

Ein solches Molekül habe ich einmal mit einem Molekülbaukasten zusammengebaut und photographiert:

Ergebnisse der Stukturformelbestimmung