Mesomere Grenzstrukturen

Als Mesomerie (Resonanz) wird die Erscheinung bezeichnet, dass die in einem Molekül oder mehratomigen Ion vorliegenden Bindungsverhältnisse nicht durch eine einzige Strukturformel dargestellt werden können, sondern nur durch mehrere Grenzformeln. Keine dieser Grenzformeln beschreibt die Bindungsverhältnisse und damit die Verteilung der Elektronen in ausreichender Weise. Die tatsächliche Elektronenverteilung des Moleküls bzw. Ions liegt zwischen den von den Grenzformeln angegebenen Elektronenverteilungen. Dies wird durch den Mesomeriepfeil (Resonanzpfeil) ↔ symbolisiert, der nicht mit dem ein chemisches Gleichgewicht symbolisierenden Doppelpfeil $\;\leftrightharpoons\;$ verwechselt werden darf. Der Begriff der Mesomerie wurde 1933 von Christopher Kelk Ingold eingeführt.

Ein Beispiel für eine solche mesomere Verbindung ist das Benzol (siehe Abbildung). Auch alle anderen Aromaten sind mesomere Verbindungen.

Gemäß der Oktettregel sind diejenigen Moleküle besonders stabil, bei denen jedes Atom von acht Valenzelektronen umgeben ist. Für das Benzol lassen sich zwei Strukturformeln aufstellen, bei denen dies der Fall ist (s. Abbildung). Allerdings müssten die durch Doppelbindungen miteinander verbundenen Kohlenstoffatome geringere Abstände haben als jene, die nur durch eine einfache Atombindung miteinander verbunden sind. Das ist aber nicht der Fall. Der Bindungsabstand zwischen den Kohlenstoffatomen beträgt einheitlich 0,139 nm.

Im Benzolring bilden von den vier Valenzelektronen jedes Kohlenstoffatoms je zwei die Bindungen zu den benachbarten Kohlenstoffatomen und eines die Bindung zum Wasserstoffatom aus. Das verbleibende Elektron bildet mit den 5 Elektronen der anderen Kohlenstoffatome, nicht wie in den Grenzformeln dargestellt die Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Vielmehr sind diese 6 Elektronen delokalisiert und bilden je eine negative ringförmige Ladungswolke (Orbital) ober- und unterhalb des nahezu ebenen Sechsringes, in denen sie gleichmäßig verteilt sind (Mehrzentrenbindung). Daraus ergibt sich ein um 151 kJ/mol abgesenkter Energiezustand, welcher die Bindungsenergie um denselben Betrag erhöht, und damit eine größere Stabilität gegenüber den hypothetischen Grenzformeln (Cyclohexatrien) mit stabilisierten Doppelbindungen zur Folge hat.

Der wirkliche Zustand eines Moleküls, also der Zwischenzustand zwischen den Grenzstrukturen wird als mesomerer Zustand bezeichnet. Die Energiedifferenz zwischen den Grenzstrukturen und dem tatsächlichen mesomeren Zustand, die in vielen Fällen abgeschätzt werden kann, wird als Mesomerie- oder Resonanzenergie bezeichnet. Je mehr mesomere Grenzstrukturen ein Molekül oder Ion besitzt, desto stabiler ist es.

Siehe auch

• Mesomerer Effekt
• Konjugation