Mesomerie

Grundidee der Mesomerie

Mesomerie, auch Resonanz genannt, bezeichnet ein Phänomen der Chemie: Die Bindungsverhältnisse in bestimmten Molekülen oder mehratomigen Ionen lassen sich nicht durch eine einzige Strukturformel ausreichend beschreiben. Stattdessen verwendet man mehrere Grenzformeln. Jede Grenzformel zeigt eine mögliche Elektronenverteilung, aber keine gibt den tatsächlichen Zustand vollständig wieder.

Die reale Elektronenverteilung liegt zwischen den in den Grenzformeln dargestellten Verteilungen. Dieser tatsächliche Zustand heißt mesomerer Zustand. Die verschiedenen Grenzformeln werden durch den Mesomeriepfeil ↔ verbunden. Er darf nicht mit dem Gleichgewichtspfeil ⇌ verwechselt werden, der ein chemisches Gleichgewicht anzeigt.

Die Energiedifferenz zwischen den Grenzstrukturen und dem tatsächlichen mesomeren Zustand heißt Mesomerieenergie oder Resonanzenergie. Sie kann in vielen Fällen abgeschätzt werden. Nach dem Artikel gilt: Je mehr mesomere Grenzstrukturen ein Molekül oder Ion besitzt, desto stabiler ist es. Mit der Valenzstrukturtheorie (VB-Theorie) lassen sich die Eigenenergien der Grenzstrukturen und ihr Gewicht, also ihr Anteil an der Gesamtwellenfunktion, berechnen.

Benzol als Beispiel

Benzol (C₆H₆) ist ein typisches Beispiel für eine mesomere Verbindung; auch andere Aromaten sind mesomer. Nach der Oktettregel sind Moleküle besonders stabil, wenn jedes Atom von acht Valenzelektronen umgeben ist. Für Benzol lassen sich zwei Strukturformeln aufstellen, die diese Regel erfüllen. Sie sind mesomere Grenzstrukturen.

Keine dieser beiden Grenzformeln beschreibt Benzol vollständig. Das zeigt sich an den Bindungslängen zwischen den Kohlenstoffatomen: Kohlenstoffatome, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, müssten einen geringeren Abstand haben als solche mit einer Einfachbindung. Tatsächlich sind alle C–C-Bindungslängen im Benzolring gleich und betragen 139 pm.

Jedes Kohlenstoffatom im Benzolring besitzt vier Valenzelektronen. Zwei davon verbinden es mit den benachbarten Kohlenstoffatomen, eines bindet das zugehörige Wasserstoffatom. Die verbleibenden sechs π-Elektronen entsprechen formal drei π-Bindungen, die in der Strukturformel durch drei Doppelbindungen dargestellt werden. Im Orbitalmodell bilden diese sechs π-Elektronen jedoch eine delokalisierte Ladungswolke über und unter der Ebene des Kohlenstoffrings. Es handelt sich um ein delokalisiertes 6-π-Elektronensystem und eine Mehrzentrenbindung.

Mesomerieenergie des Benzols

Durch die Delokalisierung der sechs π-Elektronen wird beim Benzol ein um 151 kJ/mol abgesenkter Energiezustand erreicht. Dadurch steigt die Bindungsenergie um denselben Betrag. Benzol ist deshalb stabiler als die hypothetischen Grenzformeln eines Cyclohexatriens mit drei isolierten Doppelbindungen.

Die Differenz von 151 kJ/mol wird als Mesomerie- beziehungsweise Resonanzenergie bezeichnet. Sie kann aus der Differenz der Hydrierungsenergien des hypothetischen Cyclohexatriens und des Benzols bestimmt werden. Derselbe Wert ergibt sich aus der Differenz ihrer Verbrennungsenergien.

Als Bezugssubstanz kann auch das entsprechende lineare Molekül Hexatrien verwendet werden. Beim Vergleich der Hydrierungs- oder Verbrennungsenergien von Benzol und Hexatrien ergibt sich ein etwas niedrigerer Wert. Diese Resonanzenergie wird „Dewar Resonance Energy“ (DRE) genannt.

Carboxylat- und vinyloge Carboxylat-Anionen

Auch die Salze von Carbonsäuren zeigen ein delokalisiertes Elektron. Beispiele sind die Salze der Ameisensäure und der Essigsäure. Die Mesomerie führt zur Stabilisierung des Carboxylat-Anions. Beim Salz der Ameisensäure heißt es Formiat-Anion, beim Salz der Essigsäure Acetat-Anion.

Werden eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen eingeschoben, entstehen Salze vinyloger Carbonsäuren. Dabei bleibt die Mesomerie erhalten; auch das vinyloge Carboxylat-Anion ist mesomeriestabilisiert. Im einfachsten Fall kann die Mesomerie des Carboxylat-Anions durch mehrere Grenzformeln beziehungsweise eine entsprechende Notation dargestellt werden.

Beispiele für vinyloge Carbonsäuren sind Ascorbinsäure (Vitamin C) und Vulpinsäure.