Mesomerie

Mesomerie – Definition

Mesomerie kann dabei nur bei konjugierten Doppelbindungen und damit konjugierten freien Elektronenpaaren vorliegen.

Mesomeriestabilisierung

Mit keiner dieser Grenzformeln kannst Du die genaue Verteilung der Elektronen in der Realität beschreiben. Diese liegt genau zwischen den verschiedenen Grenzformeln.

Um die Elektronenverteilung der Carboxylatgruppe (R-COO^-) darzustellen, verwendet man zwei Grenzstrukturen, die die Bindungsverhältnisse angeben. Mesomerie wird mithilfe des sogenannten Mesomeriepfeils ($\leftrightarrow$) gekennzeichnet. Dabei steht sowohl auf der linken Seite des Pfeils als auch auf der rechten Seite des Mesomeriepfeils eine Grenzstruktur. Gibt es mehr als zwei Grenzstrukturen, so gibt es nicht nur einen Mesomeriepfeil, sondern mehrere.

Die Doppelbindung zwischen den beiden Sauerstoffmolekülen der Carboxylatgruppe, die an das Kohlenstoffatom binden, "springt". Neben der Darstellung mithilfe von Grenzstrukturen, wird die Carboxylatgruppe auch durch eine Strukturformel abgebildet, die den mesomeren Zustand nachbilden soll.

Als mesomerer Zustand wird der tatsächliche Zustand eines mesomeren Moleküls bezeichnet. Also der Zustand, der zwischen den verschiedenen Grenzstrukturen liegt. Dieser wird bei der Carboxylatgruppe auch durch die rechte Strukturformel ausgedrückt. Bei dieser Strukturformel werden die zwei π-Elektronen, mithilfe der gestrichelten Linie über beide Sauerstoffatome verteilt, dargestellt.

Mesomerie – Beispiele

Jedoch widerspricht die Länge der Bindungen im Benzolmolekül dem Aufbau der beiden Strukturformeln, die Kekulé aufgestellt hat.

Die durch Doppelbindungen miteinander verbundenen Kohlenstoffatome müssten theoretisch geringere Abstände haben als die, die nur durch eine einfache Atombindung miteinander verbunden sind. Dies ist beim Benzolmolekül allerdings nicht der Fall, da die Abstände zwischen zwei Kohlenstoffatomen überall bei 139 pm liegt. Grund dafür ist die Mesomerie des Benzolmoleküls.

Mesomerie des Benzols

Im Benzolring bilden von den vier Valenzelektronen jedes Kohlenstoffatoms jeweils zwei Bindungen zu den Nachbar-C-Atomen und eins eine Bindung zum Wasserstoffatom. Das letzte Valenzelektron bildet mit den fünf Elektronen der anderen Kohlenstoffatome die delokalisierten Elektronen des Benzols. Sie bilden nicht, wie in der Grenzformel abgebildet, die Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen, sondern sind gleichmäßig verteilt. Aufgrund dessen wird das Benzol oft auch mit einem Kreis in der Mitte des hexagonalen Rings dargestellt.

Genauer gesagt bilden diese delokalisierten Elektronen negative ringförmige Ladungswolken (Orbitale) ober- und unterhalb des ebenen Sechsrings, wo sie gleichmäßig verteilt sind. Damit entsteht ein um \(151 \frac{kJ}{mol}\) abgesenkter Energiezustand, der die Bindungsenergie um denselben Betrag erhöht.

Mesomerieenergie des Benzols

Wie schon erwähnt liegt die Mesomerieenergie beim Benzolmolekül bei \(151 \frac{kJ}{mol}\). Würde man die hypothetischen Grenzstrukturen hydrieren, also Wasserstoff an die CC-Doppelbindungen addieren, setzt man eine Reaktionsenthalpie von ungefähr \(-360 \frac{kJ}{mol}\) frei. Stattdessen werden bei der Hydrierung von Benzol nur etwa \(-209 \frac{kJ}{mol}\) freigesetzt.

Wie Du in der unteren Abbildung sehen kannst, ist Benzol energieärmer und damit auch stabiler als seine Grenzstrukturformeln. Die höhere Stabilität des Moleküls gegenüber seinen Grenzstrukturen nennt man Mesomeriestabilisierung.

Mesomerie – Aufstellen von Grenzstrukturen eines Moleküls

Wenn Du nun die verschiedenen Grenzstrukturen eines Moleküls aufstellen möchtest, musst Du folgende Regeln beachten:

1. Die Elektronenpaare, die für die Mesomerie verwendet werden, sind entweder freie Elektronenpaare oder Elektronenpaare aus Doppelbindungen. Sie werden dann verlagert.
2. Elektronenpaare können nur zum Nachbaratom verlagert werden und nicht über zwei Atome hinweg.
3. Wenn an dem Atom, zu dem das Elektronenpaar geklappt wurde, zu viele Elektronen sind, muss hier ein Elektronenpaar weggeklappt werden. Falls das nicht geht, ist diese Grenzstruktur nicht möglich.

Auch das Schwefeltrioxid (SO₃) gehört zu den mesomeren Verbindungen.

Die oben abgebildete Strukturformel von Schwefeltrioxid erfüllt für das Schwefelatom nicht die Oktettregel.

Das heißt, das Schwefelatom ist aufgrund der drei Doppelbindungen von zwölf Elektronen, anstatt der energetisch optimalen acht Elektronen umgeben. Daher muss man sich mithilfe der oben genannten Regeln Grenzstrukturen aufstellen, für die die Oktettregel für alle Atome des Moleküls erfüllt ist. Für Schwefeltrioxid findet man hierbei drei verschiedene Grenzstrukturen.

In Abbildung 4 kannst Du erkennen, wie man durch Umklappen von Elektronenpaaren von der ersten zur zweiten Grenzformel kommt. Außerdem ist bei der mittleren, zweiten Grenzformel markiert, wie man von ihr zu der dritten Grenzformel gelangt.

Dabei wurden alle drei oben genannten Regeln zum Aufstellen von Grenzstrukturen befolgt.

• Die Elektronenpaare, die umgeklappt wurden, wurden nur zu ihrem Nachbaratom umgeklappt.
• Überdies wurden Elektronenpaare, die durch das Umklappen eines anderen Elektronenpaars zu viel sind, ebenfalls weggeklappt. Daher haben die Grenzformeln des Schwefeltrioxids auch immer nur eine Doppelbindung, da um das Schwefelatom andernfalls mehr als acht Elektronen wären.