Language
Country/Area
No result found
Từ liên kết đơn đến liên kết đôi: Hệ thống liên hợp hoạt động như thế nào?
Trong lý thuyết hóa học, hệ liên hợp là một tập hợp các orbital p được kết nối với các electron phi cục bộ, làm giảm năng lượng của phân tử và tăng tính ổn định của nó. Các hệ thống này thường được biểu diễn dưới dạng liên kết đơn và liên kết bội xen kẽ và có thể bao gồm các cặp electron đơn độc, gốc tự do hoặc ion cacben và có thể là cấu trúc vòng, không vòng, tuyến tính hoặc hỗn hợp. Một minh họa quan trọng cho lĩnh vực này là thuật ngữ "liên hợp" lần đầu tiên được nhà hóa học người Đức Johannes Thiele đặt ra vào năm 1899.
Chìa khóa của liên hợp là sự chồng chéo giữa một orbital p và một orbital p khác trên liên kết sigma liền kề.
Sự hiện diện của hệ liên hợp cho phép các electron π được dịch chuyển trên tất cả các orbital p liền kề, điều này có nghĩa là các electron π này không thuộc về một liên kết hoặc nguyên tử đơn lẻ mà thuộc về một nhóm nguyên tử. Trong hóa học, những phân tử chứa hệ liên hợp này thường được gọi là phân tử liên hợp. Các phân tử liên hợp tiêu biểu bao gồm cation 1,3-butadien, benzen và alkenyl. Các hệ thống liên hợp rất lớn có thể được tìm thấy trong graphene, than chì, polyme dẫn điện và ống nano carbon.
Liên kết hóa học trong hệ thống liên hợp
Sự liên hợp đạt được bằng cách xen kẽ các liên kết đơn và đôi, trong đó mỗi nguyên tử cung cấp một orbital p vuông góc với mặt phẳng của phân tử. Tuy nhiên, đây không phải là cách duy nhất để đạt được sự chia động từ. Miễn là mọi nguyên tử liền kề trong chuỗi đều có orbital p thì hệ thống có thể được coi là liên hợp. Ví dụ, furan là vòng năm cạnh có hai liên kết đôi xen kẽ và các cặp đơn độc trên các nguyên tử oxy, một trong số đó chiếm một orbital p vuông góc với vị trí đó của vòng, do đó duy trì vòng năm cạnh. Liên hợp của vòng.
Trong hệ liên hợp, sự chồng lấn của các orbital p là yêu cầu cơ bản để có thể liên hợp được.
Hệ liên hợp phải là hệ phẳng hoặc gần phẳng để đáp ứng yêu cầu chồng lấn. Điều này có nghĩa là cặp electron đơn độc tham gia vào liên hợp sẽ chiếm các orbital có bản chất p thuần túy thay vì các orbital lai hóa thông thường. Mô hình phân tử liên hợp phổ biến nhất là mô hình kết hợp lý thuyết liên kết hóa trị và lý thuyết quỹ đạo phân tử Huckel. Trong khuôn khổ này, khuôn khổ σ của một phân tử được tách ra khỏi hệ thống π (hoặc các hệ thống) của nó.
Năng lượng ổn định
Năng lượng ổn định tích lũy trong hệ liên hợp, thường được mô tả là năng lượng cộng hưởng, là sự chênh lệch năng lượng giữa các loài hóa học thực tế và một loài hóa học giả định có liên kết π cục bộ. Mặc dù năng lượng này không thể đo được nhưng có thể ước tính sơ bộ, cho thấy tác động quan trọng của liên hợp đến độ ổn định của một số phân tử.
Nhìn chung, hệ thống cation ổn định hơn hệ thống trung tính.
Ví dụ, trong 1,3-butadien, năng lượng hoạt hóa để xoay liên kết C2-C3 là khoảng 6 kcal/mol và sự ổn định cộng hưởng được cho là một phần của năng lượng này. Trong các xicloankan, chẳng hạn như benzen, phạm vi năng lượng cộng hưởng được ước tính nằm trong khoảng từ 36 đến 73 kcal/mol, chứng tỏ tính ổn định đáng ngạc nhiên của các hệ liên hợp đối với các hợp chất thơm.
Hợp chất vòng liên hợp
Hợp chất vòng có thể được liên hợp một phần hoặc toàn phần. Các hydrocacbon đơn vòng liên hợp hoàn toàn được gọi là xicloanken. Các hợp chất loại này được coi là thơm nếu chúng có hệ liên hợp phẳng thỏa mãn cấu trúc electron (4n + 2) π, như trường hợp của benzen. Nhiều con đường liên hợp có liên quan chặt chẽ đến tính chất điện và quang của các phân tử.
Hệ thống p liên hợp cho phép phân tử thu thập các photon có bước sóng cụ thể, hiển thị các màu sắc khác nhau.
Ví dụ, chuỗi cacbon-hydro liên hợp dài của beta-carotene tạo cho nó màu cam đậm. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến màu sắc của các phân tử mà còn đến tính chất quang học và ứng dụng của chúng, bao gồm nhiều loại thuốc nhuộm tổng hợp trong lĩnh vực quang hóa học.
Khi chúng ta hiểu sâu hơn về hệ thống liên hợp, bạn có cảm nhận được vẻ đẹp và sức mạnh ẩn chứa trong các cấu trúc hóa học này không?
