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De ligações simples a ligações duplas: como funcionam os sistemas conjugados?
Na teoria química, um sistema conjugado é um conjunto de orbitais p conectados com elétrons deslocalizados que, em geral, reduzem a energia da molécula e aumentam sua estabilidade. Esses sistemas são geralmente representados como ligações simples e múltiplas alternadas e podem incluir pares isolados de elétrons, radicais livres ou íons carbeno, e podem ser estruturas cíclicas, acíclicas, lineares ou mistas. Como uma ilustração importante desse campo, o termo "conjugação" foi cunhado pela primeira vez pelo químico alemão Johannes Thiele em 1899.
A chave para a conjugação é a sobreposição entre um orbital p e outro orbital p em uma ligação sigma adjacente.
A presença de um sistema conjugado permite que os elétrons π sejam deslocalizados por todos os orbitais p alinhados adjacentes, o que significa que esses elétrons π não pertencem a uma única ligação ou átomo, mas a um grupo de átomos. Em química, essas moléculas que contêm sistemas conjugados são frequentemente chamadas de moléculas conjugadas. Moléculas conjugadas representativas incluem cátions 1,3-butadieno, benzeno e alquenil. Sistemas conjugados muito grandes podem ser encontrados em grafeno, grafite, polímeros condutores e nanotubos de carbono.
Ligação química em sistemas conjugados
A conjugação é obtida pela alternância de ligações simples e duplas, com cada átomo fornecendo um orbital p perpendicular ao plano da molécula. Entretanto, esta não é a única maneira de alcançar a conjugação. Desde que cada átomo adjacente na cadeia tenha um orbital p disponível, o sistema pode ser considerado conjugado. Por exemplo, o furano é um anel de cinco membros com duas ligações duplas alternadas e pares solitários nos átomos de oxigênio, um dos quais ocupa um orbital p perpendicular àquela posição do anel, mantendo assim o anel de cinco membros. Conjugação do anel.
Em um sistema conjugado, a sobreposição de orbitais p é o requisito fundamental para tornar a conjugação possível.
Um sistema conjugado deve ser plano ou quase plano para satisfazer o requisito de sobreposição. Isso significa que o par solitário de elétrons envolvidos na conjugação ocupará orbitais de natureza p pura em vez dos orbitais híbridos usuais. O modelo mais comum de moléculas conjugadas é um tratamento que combina a teoria da ligação de valência e a teoria do orbital molecular de Huckel. Nessa estrutura, a estrutura σ de uma molécula é separada de seu sistema (ou sistemas) π.
Energia de estabilização
A energia de estabilização acumulada em um sistema conjugado, geralmente descrita como energia de ressonância, é a diferença de energia entre as espécies químicas reais e uma espécie química hipotética com ligação π local. Embora essa energia não possa ser medida, ela pode ser estimada aproximadamente, mostrando o efeito importante da conjugação na estabilidade de algumas moléculas.
Em geral, os sistemas catiônicos são mais estáveis que os sistemas neutros.
Por exemplo, no 1,3-butadieno, a energia de ativação para rotação da ligação C2-C3 é de cerca de 6 kcal/mol, e presume-se que a estabilização da ressonância seja parte disso. Em cicloalcanos, como o benzeno, a faixa de energia de ressonância foi estimada entre 36 e 73 kcal/mol, demonstrando a surpreendente estabilidade de sistemas conjugados para compostos aromáticos.
Compostos cíclicos conjugados
Os compostos cíclicos podem ser parcial ou totalmente conjugados. Hidrocarbonetos monocíclicos completamente conjugados são chamados de cicloalcenos. Compostos desse tipo são considerados aromáticos se tiverem um sistema conjugado planar que satisfaça a estrutura eletrônica (4n + 2) π, como é o caso do benzeno. As inúmeras vias de conjugação estão intimamente relacionadas às propriedades elétricas e ópticas das moléculas.
O sistema p conjugado permite que a molécula capture fótons de comprimentos de onda específicos, exibindo cores diferentes.
Por exemplo, a longa cadeia conjugada de carbono-hidrogênio do betacaroteno lhe confere sua intensa cor laranja. Isso não afeta apenas a cor das moléculas, mas também suas propriedades ópticas e aplicações, incluindo vários tipos de corantes sintéticos no campo da fotoquímica.
À medida que adquirimos uma compreensão mais profunda dos sistemas conjugados, você parece ser capaz de sentir a beleza e o poder ocultos nessas estruturas químicas?
