Language
Country/Area
No result found
Sức hấp dẫn của hệ thống liên hợp: chúng cải thiện tính ổn định của phân tử như thế nào?
Trong hóa học lý thuyết, hệ liên hợp là hệ phân tử chứa các orbital p liên kết và các electron phi cục bộ, thường làm giảm năng lượng tổng thể và tăng độ ổn định của phân tử. Biểu diễn truyền thống của những hệ thống như vậy là sự kết hợp xen kẽ giữa liên kết đơn và liên kết nhiều. Các cặp electron đơn lẻ, gốc tự do hoặc cacbocation đều có thể là một phần của hệ thống này, tạo thành các cấu trúc vòng hoặc không vòng, tuyến tính hoặc hỗn hợp.
Điểm hấp dẫn của các hệ liên hợp nằm ở khả năng thúc đẩy sự dịch chuyển của các electron π thông qua sự chồng lấn của các orbital p, do đó cải thiện tính ổn định của phân tử.
Thuật ngữ này được nhà hóa học người Đức Johannes Thiele đặt ra vào năm 1899. Hiện tượng liên hợp là sự chồng chéo của một orbital p với một liên kết σ liền kề khác. Trong hệ thống này, các electron pi không còn thuộc về một liên kết hoặc nguyên tử đơn lẻ nữa mà được chia sẻ bởi nhiều nguyên tử. Các phân tử chứa hệ thống liên hợp được gọi là phân tử liên hợp, chẳng hạn như 1,3-butadien, benzen và cation allyl.
Liên kết hóa học trong hệ thống liên hợp
Sự liên hợp có thể 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. Chỉ cần mỗi nguyên tử liên tiếp có một orbital p khả dụng thì hệ thống có thể được coi là liên hợp. Ví dụ, furan là vòng năm cạnh có hai liên kết đôi xen kẽ ở rìa và nguyên tử oxy có hai cặp electron đơn độc, một trong số đó tham gia liên hợp và chồng lên orbital p của nguyên tử carbon liền kề. Cặp đơn độc còn lại vẫn ở trên mặt phẳng và do đó không tham gia vào quá trình liên hợp.
Để đạt được sự liên hợp, điều kiện đầu tiên là các orbital phải chồng lên nhau. Do đó, hệ liên hợp cần duy trì cấu trúc phẳng.
Năng lượng ổn định
Tính ổn định của hệ liên hợp có tầm quan trọng lớn, đặc biệt là trong hệ cation. Mặc dù tác dụng ổn định đối với hệ trung tính tương đối nhỏ nhưng tác dụng ổn định thơm lại khá đáng kể. Lấy benzen làm ví dụ, năng lượng cộng hưởng của hệ liên hợp của nó được ước tính nằm trong khoảng từ 36 đến 73 kcal/mol, cho thấy tính ổn định nhiệt động lực học và động học mạnh.
Năng lượng cộng hưởng là sự chênh lệch năng lượng giữa các chất hóa học thực tế và liên kết π cục bộ của nó.
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 có thể biểu hiện tính chất thơm, không thơm hoặc phản thơm. Nếu hệ liên hợp là phẳng và biểu hiện số electron (4n + 2) π, hợp chất được gọi là thơm và có độ ổn định đặc biệt.
Sự hấp thụ màu sắc và ánh sáng
Trong hệ thống π liên hợp, các electron có thể bắt các photon cụ thể, tương tự như cách ăng-ten vô tuyến phát hiện các photon dọc theo chiều dài của nó. Các hợp chất có số lượng liên kết liên hợp đủ lớn có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy được. Vì vậy, chúng thường có màu sắc rực rỡ. Khi hệ thống trở nên dài hơn, nó có thể hấp thụ các bước sóng ánh sáng dài hơn so với các hệ thống liên hợp ngắn. Ví dụ, chuỗi cacbon-hydro liên hợp dài của beta-carotene tạo cho nó màu cam đậm.
Khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tỉ lệ thuận với số liên kết đôi trong hệ liên hợp và màu sắc thay đổi từ vàng sang đỏ khi số liên kết đôi liên hợp tăng lên.
Ngoài ra, các hợp chất giống phthalocyanine cũng được sử dụng rộng rãi trong các chất màu tổng hợp. Chúng không chỉ có khả năng kích thích năng lượng thấp trong dải ánh sáng khả kiến mà còn có thể dễ dàng nhận hoặc cho electron. Nhưng liệu những loại sắc tố này có tiếp tục được ưa chuộng trong tương lai không?
