Language
Country/Area
No result found
Von Einfachbindungen zu Doppelbindungen: Wie funktionieren konjugierte Systeme?
In der chemischen Theorie ist ein konjugiertes System eine Reihe verbundener p-Orbitale mit delokalisierten Elektronen, die insgesamt die Energie des Moleküls senken und seine Stabilität erhöhen. Diese Systeme werden üblicherweise als alternierende Einfach- und Mehrfachbindungen dargestellt und können freie Elektronenpaare, freie Radikale oder Carbenionen enthalten und zyklische, azyklische, lineare oder gemischte Strukturen aufweisen. Ein wichtiges Beispiel für dieses Gebiet ist der Begriff „Konjugation“, der erstmals im Jahr 1899 vom deutschen Chemiker Johannes Thiele geprägt wurde.
Der Schlüssel zur Konjugation ist die Überlappung zwischen einem p-Orbital und einem anderen p-Orbital auf einer benachbarten Sigma-Bindung.
Das Vorhandensein eines konjugierten Systems ermöglicht die Delokalisierung der π-Elektronen über alle benachbarten ausgerichteten p-Orbitale, was bedeutet, dass diese π-Elektronen nicht zu einer einzelnen Bindung oder einem einzelnen Atom, sondern zu einer Gruppe von Atomen gehören. In der Chemie werden diese Moleküle, die konjugierte Systeme enthalten, oft als konjugierte Moleküle bezeichnet. Repräsentative konjugierte Moleküle sind 1,3-Butadien, Benzol und Alkenylkationen. Sehr große konjugierte Systeme finden sich in Graphen, Graphit, leitfähigen Polymeren und Kohlenstoffnanoröhren.
Chemische Bindung in konjugierten Systemen
Die Konjugation wird durch abwechselnde Einfach- und Doppelbindungen erreicht, wobei jedes Atom ein p-Orbital senkrecht zur Ebene des Moleküls bereitstellt. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, eine Konjugation zu erreichen. Solange jedes benachbarte Atom in der Kette ein freies p-Orbital hat, kann das System als konjugiert betrachtet werden. Furan ist beispielsweise ein Fünfring mit zwei alternierenden Doppelbindungen und freien Elektronenpaaren an den Sauerstoffatomen, von denen eines ein p-Orbital senkrecht zu dieser Position des Rings einnimmt, wodurch der Fünfring erhalten bleibt. Konjugation des Rings.
In einem konjugierten System ist die Überlappung von p-Orbitalen die grundlegende Voraussetzung, um Konjugation zu ermöglichen.
Ein konjugiertes System muss planar oder nahezu planar sein, um die Überlappungsanforderung zu erfüllen. Dies bedeutet, dass das an der Konjugation beteiligte freie Elektronenpaar Orbitale reiner p-Natur und nicht die üblichen Hybridorbitale besetzen wird. Das gebräuchlichste Modell konjugierter Moleküle ist eine Behandlung, die die Valenzbindungstheorie und die Hückel-Molekülorbitaltheorie kombiniert. In diesem Rahmen wird das σ-Gerüst eines Moleküls von seinem π-System (oder seinen π-Systemen) getrennt.
Stabilisierungsenergie
Die in einem konjugierten System angesammelte Stabilisierungsenergie, üblicherweise als Resonanzenergie bezeichnet, ist die Energiedifferenz zwischen der tatsächlichen chemischen Spezies und einer hypothetischen chemischen Spezies mit lokaler π-Bindung. Obwohl diese Energie nicht gemessen werden kann, lässt sie sich doch grob abschätzen. Dies zeigt den wichtigen Effekt der Konjugation auf die Stabilität einiger Moleküle.
Kationische Systeme sind im Allgemeinen stabiler als neutrale Systeme.
Beispielsweise beträgt in 1,3-Butadien die Aktivierungsenergie für die Rotation der C2-C3-Bindung etwa 6 kcal/mol, und es wird angenommen, dass die Resonanzstabilisierung ein Teil davon ist. Bei Cycloalkanen wie Benzol wurde der Resonanzenergiebereich auf 36 bis 73 kcal/mol geschätzt, was die überraschende Stabilität konjugierter Systeme für Aromastoffe belegt.
Konjugierte zyklische Verbindungen
Zyklische Verbindungen können teilweise oder vollständig konjugiert sein. Vollständig konjugierte monozyklische Kohlenwasserstoffe werden Cycloalkene genannt. Verbindungen dieser Art gelten als aromatisch, wenn sie über ein planares konjugiertes System verfügen, das der (4n + 2) π-Elektronenstruktur genügt, wie es bei Benzol der Fall ist. Die zahlreichen Konjugationswege hängen eng mit den elektrischen und optischen Eigenschaften der Moleküle zusammen.
Das konjugierte p-System ermöglicht es dem Molekül, Photonen bestimmter Wellenlängen aufzunehmen und so unterschiedliche Farben anzuzeigen.
Beispielsweise verleiht die lange konjugierte Kohlenstoff-Wasserstoff-Kette dem Beta-Carotin seine intensive orange Farbe. Dies wirkt sich nicht nur auf die Farbe der Moleküle aus, sondern auch auf ihre optischen Eigenschaften und Anwendungen, beispielsweise auf verschiedene Arten synthetischer Farbstoffe im Bereich der Photochemie.
Können Sie, während wir ein tieferes Verständnis konjugierter Systeme erlangen, die Schönheit und Kraft spüren, die in diesen chemischen Strukturen verborgen ist?
