Derrière l'image : l'aromaticité du benzène

 

L'image qui est donnée ici est celle de la molécule de benzène : c'est une molécule très importante dans l'histoire de la chimie parce qu'elle a échappé à la théorie... et son analyse a fait progresser la chimie.

Le benzène est une matière qui a été découverte par le merveilleux physico-chimiste anglais Michael Faraday, alors qu'il étudiait lee résidu huileux qui résultait de la production du gaz d'éclairage. Et le nom a été donné plus tard, dérivé de "gomme benzoïne", une résine odorante connent depuis longtemps en Asie et utilisée en parfumerie.

Plus tard, on s'est aperçu que cette molécule avait (disons-le avec les mots modernes) six atomes de carbone et six atomes d'hydrogène, puis on a observé que les atomes de carbone étaient liés en un cycle.
Mais quand la tétravalence du carbone est apparue (le fait que chaque atome de carbone ait quatre liaisons avec des atomes voisins), alors il est apparu que la représentation moléculaire du benzène posait un problème, parce qu'on ne savait pas où placer trois doubles liaisons entre les atomes de carbone.

C'est finalement Auguste Kekule qui a proposé une solution : on a réussi à penser qu'il n'y avait pas les doubles liaisons connues alors,  mais ce que l'on nommerait aujourd'hui une délocalisation de six électrons sur l'ensemble des atomes de carbone.

Autrement dit, la représentation qui est donnée ici est parfaitement fautive, et elle méprise l'immense progrès qui a été fait à l'époque de Kekule.
Ce qui est pire, c'est qu'elle induit les étudiants en erreur  : je me souviens d'une doctorante qui croyait que l'on pouvait effectuer des réactions d'addition sur le benzène ou des molécules de la même famille, alors que précisément, le phénomène d'aromaticité montre que ce n'est pas possible, ou pas comme elle l'imaginait.
Il est convenu d'utiliser un cercle, dans de la molécule pour bien signaler la délocalisation des électrons. 

Je propose de toujours utiliser plutôt la représentation correcte même la représentation avec des doubles liaisons est acceptée, interprétée correctement par ceux qui savent déjà.

Mais notre but n'est-il pas d'aider les étudiants à apprendre ?

Pas de double liaison dans les groupes aromatiques !

 Nous sommes bien d'accord que nous devons aider nos amis  à grandir. 

Quand nous sommes professeurs,  alors cette amabilité doit devenir une obligation absolue et c'est pour cette raison que j'ai contesté, lors du dernier workshop de gastronomie moléculaire, la présence de doubles liaisons dans les formules des composés aromatiques. 

Ces composés aromatiques ont dans leur molécule au minimum un groupe de 6 atomes de carbone liés entre eux par des liaisons d'un type spécial : non seulement il y a des liaisons simples, dites sigma, mais il y a aussi des électrons délocalisés, partagés en quelque sorte sur l'ensemble des atomes de carbone (c'est un peu différent de cela, mais ne compliquons pas pour commencer).

C'est ce partage d'électrons qui fait précisément l'aromaticité. Dans la représentation moléculaire de tels composés, il n'y a pas  de simples et de doubles liaisons alternées, et ce fut une découverte essentielle, dans l'histoire de la chimie, que de comprendre précisément qu'il n'y avait pas de simples et de doubles liaisons dans le benzème. 

De sorte que je ne peux m'empêcher de reprendre mes amis quand ils se laissent aller à afficher ses alternances de doubles et simples liaisons pour les composés aromatiques. 

Ainsi ne représentons pas  ceci : 

Mais plutôt ceci : 

Aromaticité

Je viens d'écrire ailleurs que ce blog-ci était "politique"... mais je ne suis pas un politicien, et la "politique" dont je parle est "quotidienne", familière, et que les sciences quantitatives sont au coeur de l'affaire : sutor non supra crepidam, n'est-ce pas ?
Bref, je veux vous parler des composés "aromatiques" : je parle en physico-chimiste, ce qui signifie que ce ne sont pas les composés odorants, qui sont considérés, mais les composés comme le benzène, dont le nombre d'électrons "pi" est de type 4 n +2, comme le veut la règle de Hückel.
Ces composés ont une histoire. Quand Michael Faraday découvrit le benzène, il le trouva d'odeur agréable, d'où le mot "aromatique", qui est mal choisi, parce que certains composés "chimiquement aromatiques" n'ont pas d'odeur, mais passons.
Ce qui est le plus important, c'est que les physico-chimistes firent alors une observation étonnante : alors que les composés qui ont des "doubles liaisons" peuvent participer à des réactions d'addition (le dichlore s'ajoute à l'éthylène, pour faire le dichloroéthane), le benzène réagissait très différemment, et l'addition n'était pas observée.
Il fallut des travaux nombreux, où se distingue celui de Kékulé, pour comprendre que les électrons pi sont délocalisés et que...

LE BENZENE NE CONTIENT PAS DE DOUBLE LIAISON  !

C'est pour cette raison que l'on doit décrire ces électrons par un petit rond, au centre du cycle hexagonal, ou  une lettre phi, et non trois liaisons doubles localisées à des endroits arbitraires.

Et c'est ainsi que la physico-chimie est belle !