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共役系の魅力：分子の安定性をどう向上させるか？
理論化学において、共役系とは、接続された p 軌道と非局在化電子を含む分子系であり、通常、全体のエネルギーが低下し、分子の安定性が高まる構造です。このようなシステムの伝統的な表現は、単結合と多重結合の交互の組み合わせです。電子、ラジカル、またはカルボカチオンの孤立電子対はすべて系の一部となり、環状または非環状、線状または混合構造を形成します。
共役系の利点は、p 軌道の重なりによって π 電子の非局在化が促進され、それによって分子の安定性が高まることです。
この用語は、1899 年にドイツの化学者ヨハネス ティーレによって造られました。共役は、1 つの p 軌道と別の隣接する σ 結合の重なりです。この系では、π 電子は単結合や原子に属さず、複数の原子によって共有されます。 1,3-ブタジエン、ベンゼン、アリルカチオンなど、共役系を含む分子は共役分子と呼ばれます。
共役系における化学結合
共役は単結合と二重結合を交互に配置することで実現でき、各原子は分子面に垂直な p 軌道を形成します。ただし、これが活用を実現する唯一の方法ではありません。連続する各原子が利用可能な p 軌道を持っている限り、その系は共役していると考えることができます。たとえば、フランは端に 2 つの二重結合が交互にある 5 員環で、酸素原子には 2 つの孤立電子対があり、そのうちの 1 つは共役に関与し、隣接する炭素原子の p 軌道と重なっています。もう一方の非共有電子対は平面内に残るため、共役には関与しません。
共役を達成するための最初の条件は、軌道が重なることです。したがって、共役系は平面構造を維持する必要がある。
エネルギーを安定させる
共役系の安定性は、特に陽イオン系において非常に重要です。中性系に対する安定化効果は比較的小さいですが、芳香族の安定化効果は非常に顕著です。ベンゼンを例にとると、その共役系の共鳴エネルギーは 36 ～ 73 kcal/mol であると推定され、強い熱力学的および速度論的安定性を示します。
共鳴エネルギーは、実際の化学種とその局所的な π 結合の間のエネルギー差です。
共役環状化合物
環状化合物は部分的または完全に共役することができます。完全に共役した単環式炭化水素は、芳香族、非芳香族、または反芳香族の特性を示すことがあります。共役系が平面的で (4n + 2) 個の π 電子を示す場合、それは芳香族化合物と呼ばれます。これらの化合物は非常に安定しています。
色と光の吸収
共役π系では、ラジオアンテナがその長さに沿って光子を検出するのと同様に、電子は特定の光子を捕捉できます。十分な数の共役結合を持つ化合物は可視領域の光を吸収します。したがって、それらはしばしば豊かな色で表示されます。システムが長くなると、より短い共役システムと比較して、より長い波長の光を吸収することができます。たとえば、ベータカロテンの長い共役炭化水素鎖により、その濃いオレンジ色が生じます。
可視光の吸収能力は、共役系の二重結合の数に比例し、共役二重結合の数が増加すると、色の範囲が黄色から赤色に変化します。
さらに、フタロシアニン様化合物は合成顔料にも広く使用されています。それらは可視範囲で低エネルギー励起を行うだけでなく、電子を容易に受容または供与することができます。しかし、これらの顔料は今後も人気があり続けるのでしょうか?
