Language
Country/Area
No result found
إلكترونات باي في الجزيئات المترافقة: ما مدى غموضها؟
في الكيمياء النظرية، "النظام المترافق" هو النظام الذي يحتوي على إلكترونات غير موضعية في المدارات p المتصلة. يؤدي هذا المزيج عمومًا إلى خفض الطاقة الكلية للجزيء وزيادة الاستقرار. التمثيل الكلاسيكي للنظام المترافق هو الروابط المفردة والمزدوجة المتناوبة. يحدث الاقتران عندما تتداخل المدارات p المتجاورة المرتبطة برابطة σ، وهو مصطلح صاغه الكيميائي الألماني يوهانس ثيل في عام 1899. في كثير من الأحيان، يطبق الناس هذه الخاصية على الجزيئات لأن الإلكترونات باي المجمعة لا تنتمي إلى رابطة واحدة أو ذرة واحدة، بل إلى مجموعة من الذرات.
بسبب تداخل المدارات p المتجاورة في الجزيئات المترافقة، يمكن للإلكترونات أن تتدفق بحرية أكبر، وبالتالي تشكل نظامًا مترافقًا أكثر استقرارًا.
في الأنظمة المترافقة، بالإضافة إلى تركيبات المدارات p التقليدية، تشارك مكونات أخرى مثل أزواج الإلكترونات المنفردة، أو الجذور الحرة، أو الكاتيونات الكربوكسيلية. يمكن أن تكون هذه الجزيئات المترافقة دورية، أو غير دورية، أو خطية، أو مختلطة. تشتمل الجزيئات العضوية المترافقة الشائعة على 1،3-بيوتادين، والبنزين، وكاتيونات الأليل، في حين توجد أكبر الأنظمة المترافقة في الجرافين، والجرافيت، والبوليمرات الموصلة، وأنابيب الكربون النانوية.
الترابط الكيميائي في الأنظمة المترافقة
يتحقق الاقتران عادة عن طريق تناوب الروابط المفردة والمزدوجة، حيث توفر كل ذرة مدارًا p عموديًا على مستوى الجزيء. حتى الجزيئات المعقدة، مثل الفوران، تحتوي على رابطتين مزدوجتين متناوبتين في هذه الحلقة المكونة من خمسة أعضاء، على جانبي الأكسجين. يحافظ أحد الأزواج المنفردة من الأكسجين على تداخله على المداري p في هذا الموضع، وبالتالي يحافظ على الاتصال المترافق. ومع ذلك، لا تشارك جميع الأزواج الوحيدة في الاقتران؛ على سبيل المثال، في البيريدين، تكون ذرة النيتروجين مدرجة بالفعل في النظام المقترن عبر رابطة مزدوجة رسمية مع الكربون المجاور، وبالتالي فإن الزوج الوحيد يقع في المستوى ولا يشارك في الاقتران.
يجب أن يكون النظام المقترن مستويًا (أو مستويًا تقريبًا) بحيث تشغل الأزواج المنفردة المشاركة مدارات ذات طابع p نقي، بدلاً من المدارات الهجينة spn النموذجية للأزواج المنفردة غير المقترنة.
طاقة الاستقرار
إن التقديرات الكمية لطاقة تثبيت الاقتران مثيرة للجدل إلى حد كبير لأنها تعتمد على الافتراضات التي يقوم عليها نظام قاعدة المقارنة أو عملية التفاعل. عندما يتم تعريف طاقة الاقتران رسميًا، فإننا نسميها طاقة الرنين، وهو الفرق في الطاقة بين الرابطة الكيميائية الفعلية والرابطة π المركزة الافتراضية. على الرغم من أنه لا يمكن قياس هذه الطاقة بشكل مباشر، إلا أن هناك إجماعًا على أن الأنظمة الكاتيونية تكون بشكل عام أكثر زعزعة للاستقرار من الأنظمة المحايدة.
ومن المثير للاهتمام أنه عندما يتعلق الأمر بالمركبات المتعددة التكافؤ، مثل البنزين، فإن طاقات الرنين لهذه الأنواع تتراوح من حوالي 36 إلى 73 كيلو كالوري/مول، مما يوضح المساهمة الكبيرة للمركبات في الاستقرار الكيميائي.الصبغة واللون الأزرق
في المركبات ذات أنظمة π المترافقة، تكون الإلكترونات قادرة على التقاط فوتونات محددة، على غرار الطريقة التي يكتشف بها هوائي الراديو الفوتونات على طوله. وبشكل عام، كلما زادت درجة الاقتران (أي كلما كان نظام π أطول)، كلما كان طول موجة الفوتونات التي يمكنه التقاطها أطول. غالبًا ما تظهر الجزيئات التي تمتص الضوء في النطاق المرئي ملونة، خاصةً عندما تحتوي على عدد كبير من الروابط المترافقة؛ وتشمل الألوان الشائعة اللون الأصفر أو الأحمر.
على سبيل المثال، في بيتا كاروتين، تعطي سلاسل الهيدروكربون المترافقة الطويلة لونه البرتقالي المكثف، والذي يرجع إلى إثارة الإلكترونات، التي يتم تعزيزها إلى حالة طاقة أعلى عندما يمتص النظام فوتونات ذات طول موجي معين.
العلاقة بين الاستقرار والبنية
غالبًا ما يكشف استقرار الجزيئات المترافقة عن العلاقة الدقيقة بين البنية والتفاعلية. ومن خلال استغلال عدم توطين الإلكترونات والخصائص الميكانيكية الكمومية لمختلف الأنواع، تمكن الباحثون من الكشف عن أسرار هذه الجزيئات الغامضة. مع تعمق فهمنا للأنظمة المترافقة، لا يسعنا إلا أن نسأل: ما هي الأسرار المخفية في هذه الهياكل الكيميائية التي تبدو عادية؟
