ベンゼン

構造

ベンゼンには芳香族性という特殊な性質がある。環の中の6つの炭素原子はすべて同じ平面上にある。炭素6個の環上のすべての結合を説明するには、交互に二重炭素結合がある必要がある（共役系）。

ベンゼンに3つの二重結合があれば、環の3つの辺は他の3つの辺よりも短くなる。X線回折の結果、ベンゼンの6つの炭素-炭素結合の長さはすべて140ピコメートル（pm）と同じであることがわかった。C-C結合の長さは、二重結合（135pm）よりは長いが、単結合（147pm）よりは短い。この中間的な距離は、電子の非局在化と一致している。つまり、C-C結合に必要な電子は、6つの炭素原子のそれぞれに均等に分配されているのである。この分子は平面的である。1つの表現として、この構造は、どちらか一方が単独で存在するのではなく、いわゆる共鳴構造が重なって存在していると考えられる。(つまり、分子の二重結合は、炭素原子のペアの間で素早く切り替わるのである。）電子の非局在化は、ベンゼンをはじめとする芳香族化合物が熱力学的に安定している理由の1つである。電子の非局在化は、ベンゼンをはじめとする芳香族化合物の熱力学的安定性を説明する1つの方法であり、この安定性が芳香族性と呼ばれる特異な分子・化学的性質につながっていると考えられる。電子が非局在化していることを示すために、ベンゼンは炭素原子が六角形に配置された中に円が描かれていることが多い。

有機化学ではよくあることですが、上の図では炭素原子にラベルを付けていません。それぞれの炭素が2pの電子を持っていることから、それぞれの炭素は、ベンゼン環の上下にある非局在化した環に電子を供与する。環の上下のp軌道が重なることで、πの雲が発生するのである。

1986年、何人かの化学者が『Nature』誌に発表した論文で、ベンゼンの非局在化説に異議を唱えた。彼らは、ベンゼンの電子はほぼ確実に特定の炭素原子に局在していることを示した。ベンゼンの芳香族性は、電子の非局在化ではなく、スピン結合によるものであることを示したのである。他の科学者たちも、この見解を支持する論文を1987年の『Nature』に掲載した。しかし、化学者たちは電子の非局在化という見解からの転換が遅れている。

ベンゼンの誘導体は、有機分子の構成要素として十分な頻度で存在するため、雑多な技術ブロックの中に、二重結合が3つある状態を表すコードU+232C（⌬）と、非局在化した状態を表すコードU+23E3（⏣）のユニコードシンボルが存在する。