10.3. Молекулярная формула. Число изомеров. Структура Кекуле
а) Бензол имеет молекулярную формулу 
. Данные элементного анализа и молекулярный вес показали, что бензол содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Как же они расположены?
В 1858 г. Август Кекуле (Боннский университет) предположил, что атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей. Позднее, в 1865 г., он предложил ответ на вопрос о строении бензола — эти углеродные цепи иногда могут замыкаться с образованием колец.
«Я сидел и писал учебник, но работа продвигалась плохо; мои мысли блуждали где-то далеко. Я подвинул мое кресло к камину и задремал. Снова атомы запрыгали перед моими глазами. На этот раз малые группы атомов скромно оставались на заднем плане. Мой мысленный взор, обостренный повторением таких видений, мог теперь различить структуры большего размера в многочисленных конформациях; длинные цепи иногда тесно группировались, все они изгибались и поворачивались, подобно змеям. Но что это? Одна из змей ухватила свой собственный хвост, и эта фигура завертелась перед моими глазами, как бы насмехаясь надо мной. Как от вспышки молнии, я пробудился... Остаток ночи я провел, обдумывая следствие из моей гипотезы. Научимся мечтать, и тогда может быть, мы постигнем истину» (Август Кекуле, 1865 г.).
Структура Кекуле для бензола с современных позиций выражалась бы формулой 
Молекулярной формуле 
отвечают также и другие структуры, например 
Из всех этих структур структура Кекуле была наиболее удовлетворительной; доводы в ее пользу основаны на уже знакомой нам аргументации о числе изомеров (разд. 3.2).
б) Бензол дает лишь один монозамещенный продукт 
Лишь один бромбензол 
образуется при замене одного атома водорода на бром; аналогично можно получить всего лишь по одному изомеру хлорбензола 
или нитробензола 
Этот факт накладывает строгие ограничения на структуру бензола: каждый атом водорода должен быть совершенно эквивалентен всем другим, поскольку замещение любого из них дает один и тот же продукт.
Структура V, например, на этом основании может быть отброшена, поскольку она будет давать два изомерных монобромида — 1-бром- и 2-бром-производные; в структуре V не все атомы водорода эквивалентны. Аналогичным образом можно убедиться, что структуры II и III также непригодны. (Сколько монозамещенных продуктов даст каждая из них?). В качестве возможных структур остаются структуры I и IV.
в) Бензол дает три изомерных дизамещенных продукта 
или 
Так, удается получить три (и только три!) изомерных дибрем-бензола 
три хлорнитробензола 
Этот факт дополнительно ограничивает выбор возможных структур; например, структура IV должна быть отброшена. (Сколько дизамещенных производных даст структура 
На первый взгляд кажется, что структура I согласуется с этими фактами, т. е. можно ожидать образования трех изомерных дибромидов-1,2-, 1,3- и 1,4-дибромпроизводных — следующего строения:
Более внимательное изучение структуры I показывает, однако, что возможно два 1,2-дибром-изомера (VI и VII), различающихся по положению брома относительно двойной связи.
Но Кекуле представлял себе бензольную молекулу как динамическое образование: «...Фигура завертелась перед моими глазами, как бы насмехаясь надо мной...» Он описывал ее при помощи двух структур VIII и IX, между которыми осциллирует молекула бензола.
В результате два 1,2-дибромида (VI и VII) будут находиться в подвижном равновесии друг с другом и потому не могут быть разделены.
Позднее, когда было сформулировано понятие таутомерии (разд. 8.13), признали, что эти представления Кекуле в действительности являются представлениями о таутомерии структур.
Некоторые полагают, что Кекуле интуитивно предвидел более 75 лет назад современные концепции о делокализованных электронах и рисовал две структуры VIII и IX — так же как мы будем это делать — как грубое отображение того, что ни одна из структур не в состоянии полностью передать. Заслуженно или нет, но термин «структура Кекуле» в настоящее время обозначает гипотетическую молекулу с альтернирующими простыми и двойными связями, так же как термином «бензол Дьюара» в настоящее время обозначают структуру II, которую выдвинул Джеймс Дьюар в 1867 г. как пример структуры, непригодной для описания бензола.
