Language
Country/Area
No result found
Electron pi trong phân tử liên hợp: Chúng bí ẩn đến mức nào?
Trong hóa học lý thuyết, "hệ liên hợp" dùng để chỉ một hệ có các electron định vị trong các quỹ đạo p được kết nối. Sự kết hợp này thường làm giảm năng lượng tổng thể của phân tử và tăng tính ổn định. Biểu hiện cổ điển của hệ liên hợp là các liên kết đơn và đôi xen kẽ nhau. Theo thuật ngữ do nhà hóa học người Đức Johannes Thiele đặt ra năm 1899, sự liên hợp xảy ra khi các quỹ đạo p được nối với nhau bằng các liên kết σ liền kề chồng lên nhau. Thông thường, người ta áp dụng tính chất này cho các phân tử vì các electron π kết hợp không thuộc về một liên kết hay nguyên tử đơn lẻ mà thuộc về một nhóm nguyên tử.
Các phân tử liên hợp cho phép các electron chuyển động tự do hơn do sự chồng chéo của các quỹ đạo p liền kề, từ đó hình thành hệ thống đồng mượn ổn định hơn.
Trong hệ liên hợp, ngoài tổ hợp obitan p truyền thống còn có các thành phần khác như cặp electron cô lập, gốc tự do hoặc cation cacboxyl. Các phân tử liên hợp này có thể là tuần hoàn, không tuần hoàn, tuyến tính hoặc hỗn hợp. Các phân tử liên hợp hữu cơ phổ biến bao gồm các cation 1,3-butadien, benzen và allyl, trong khi các hệ liên hợp lớn nhất được tìm thấy trong graphene, than chì, polyme dẫn điện và ống nano cacbon.
Liên kết hóa học trong hệ liên hợp
Sự liên hợp thường đạt được bằng cách xen kẽ các liên kết đơn và đôi, và mỗi nguyên tử cung cấp một obitan p vuông góc với mặt phẳng của phân tử. Ngay cả các phân tử phức tạp như furan cũng có hai liên kết đôi xen kẽ trong vòng năm thành viên này, mỗi liên kết ở một bên của oxy. Một trong những cặp oxy đơn độc duy trì sự chồng chéo của nó trong quỹ đạo p tại vị trí đó, do đó duy trì kết nối liên hợp. Tuy nhiên, không phải tất cả các cặp đơn độc đều tham gia liên hợp. Ví dụ, trong pyridine, nguyên tử nitơ đã được đưa vào hệ liên hợp thông qua liên kết đôi với carbon liền kề, do đó cặp đơn độc nằm trên một mặt phẳng và không tham gia liên hợp.
Các hệ liên hợp phải phẳng (hoặc gần phẳng), do đó các cặp đơn độc tham gia chiếm các quỹ đạo có tính chất p thuần túy thay vì các quỹ đạo lai spn điển hình của các cặp đơn độc không liên hợp.
Ổn định năng lượng
Việc ước tính định lượng năng lượng ổn định của liên hợp còn gây nhiều tranh cãi vì nó phụ thuộc vào các giả định làm cơ sở cho việc so sánh với hệ thống cơ sở hoặc quá trình phản ứng. Khi năng lượng liên hợp được xác định chính thức, chúng tôi gọi nó là năng lượng cộng hưởng, là sự chênh lệch năng lượng giữa hóa chất thực tế và liên kết π chuyên dụng giả định. Mặc dù năng lượng này không thể đo trực tiếp nhưng nhìn chung có một số ý kiến nhất trí rằng hệ cation nói chung ổn định hơn nhiều so với hệ trung tính.
Điều thú vị là khi nói đến các chất đa liên hợp, chẳng hạn như benzen, năng lượng cộng hưởng của các chất này dao động trong khoảng 36–73 kcal/mol, cho thấy sự đóng góp to lớn của liên hợp đối với sự ổn định hóa học.
Sắc tố và màu xanh lam
Trong các hợp chất có hệ thống π liên hợp, các electron có thể thu được các photon cụ thể, tương tự như ăng-ten vô tuyến phát hiện các photon dọc theo chiều dài của nó. Nói chung, càng liên hợp nhiều (tức là hệ π càng dài), thì bước sóng của photon mà nó có thể thu được càng dài. Các phân tử hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy thường có màu sắc, đặc biệt khi chúng chứa nhiều liên kết liên hợp hơn. Các màu phổ biến bao gồm màu vàng hoặc đỏ.
Ví dụ, trong beta-carotene, chuỗi hydrocarbon liên hợp dài chịu trách nhiệm tạo ra màu cam đậm, đó là do sự kích thích điện tử của nó, được nâng lên trạng thái năng lượng cao hơn khi hệ thống hấp thụ các photon có bước sóng cụ thể.
Mối liên hệ giữa sự ổn định và kết cấu
Tính ổn định của các phân tử liên hợp thường bộc lộ mối quan hệ tinh tế giữa cấu trúc và khả năng phản ứng. Thông qua việc định vị các electron và tính chất cơ học lượng tử của nhiều loài khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể vén màn bức màn của những phân tử bí ẩn này. Khi sự hiểu biết của chúng ta về các hệ thống liên hợp ngày càng sâu sắc, chúng ta không thể không hỏi, loại bí mật nào ẩn giấu trong những cấu trúc hóa học tưởng chừng như bình thường này?
