Konjugovaný systém

Příklady sloučenin s konjugovanými systémy, v první řadě: pyridin, furan, tropyliový kation, ve druhé řadě: allylový radikál, octanový ion, akrolein. Atomy v konjugovaných systémech jsou označeny červeně, příslušné elektrony modře.

Konjugace nejčastěji spočívá ve střídání jednoduchých a dvojných vazeb, kdy má každý atom orbital p umístěný kolmo k rovině molekuly; za konjugovaný lze však považovat každý systém, ve kterém mají po sobě následující atomy volné orbitaly p; příkladem může být furan, který má pětičlenný kruh s dvojicí dvojných vazeb, které obklopují atom kyslíku. Na kyslíku se nacházejí dva volné elektronové páry, jeden se nachází v orbitalu p kolmém na rovinu molekuly, konjugace je udržována překryvem orbitalů obou vazebných atomů. Druhý elektronový pár zůstává v molekulové rovině a na konjugaci se nepodílí.

Obecně vzato se konjugace se může zúčastnit jakýkoliv sp² nebo sp-hybridizovaný uhlík či heteroatom, i ty, které mají prázdné orbitaly nebo v nich mají volné elektronové páry, i když ty se nemusí vždy podílet na konjugaci. V molekule pyridinu se na ní, skrze dvojnou vazbu se sousedním uhlíkem, podílí i dusíkový atom a volný pár zůstává v rovině molekuly v hybridizovaném orbitalu sp² a na konjugaci nemá vliv. Ke konjugaci je nutný překryv orbitalů a molekula tedy musí být zcela nebo téměř rovinná. Volné páry účastnící se konjugace se tak vyskytují v „čistých“ p orbitalech namísto hybridních orbitalů spⁿ, ve kterých jsou elektronové páry, které konjugaci nevytváří.

Znázornění π systému furanu a volných elektronových párů, jeden z volných párů kyslíkového atomu se účastní konjugace a nachází se v orbitalu p, zatímco druhý je v hybridizovaném orbitalu sp² v rovině molekuly a není součástí π systému. Díky přítomnosti šesti elektronů v π systému je furan aromatický.

Elektrony v konjugovaných π systémech jsou sdíleny sp²- a sp-hybridizovanými orbitaly, které se posílejí na překryvech; v důsledku toho se π elektrony v nich chovají jako jeden velký systém vazeb; často se popisují jako n-centrové k-elektronové vazby π, což se zobrazuje pomocí symbolů Π k
n . Například delokalizované elektrony v octanovém aniontu a v benzenu se nacházejí v Π 4
3 , respektive Π 6
6  systémech.

Odhady míry stabilizace vytvořené konjugovaným systémem jsou často nejisté. Energie stabilizace se nazývá rezonanční energie a je definována jako rozdíl skutečné energie sloučeniny a hypotetické sloučeniny se zcela lokalizovanými vazbami π odpovídajícími nejstabilnější rezonanční struktuře; tuto energii nelze změřit a přesná definice přijatelná pro většinu chemiků je nedosažitelná, lze však o ní vyslovit několik tvrzení. Stabilizace je obecně významnější u kationtových systémů než u neutrálních. U buta-1,3-dienu jde zhruba o aktivační energii rotace C2-C3, která má hodnotu přibližně 25 kJ/mol,[3] zatímco energetická bariéra rotace kolem dvojné vazby allylového kationtu v plynném skupenství je asi 160 kJ/mol.[4] Srovnáním afinity hydridového iontu k propylovému a allylovému kationtu, se započtením indukčních efektů, vychází 83 až 92 kJ/mol.[5]

I když je vliv stabilizace většinou poměrně slabý, tak u aromatických sloučenin může být výraznější. Odhady rezonanční energie benzenu se pohybují od 150 do 310 kJ/mol.[6]

p orbitaly benzenu

Molekulové orbitaly π v molekule benzenu podle Hückelovy teorie

Cyklické sloučeniny mohou být částečně či zcela konjugované. Anuleny, plně konjugované monocyklické uhlovodíky, mohou být aromatické, nearomatické i antiaromatické.

Nearomatické a antoaromatické sloučeniny

Molekula cyklooktatetraenu, v níž sousední dvojné vazby nejsou ve stejné rovině. Dvojné vazby tak nejsou konjugovány.

Ne všechny cyklické sloučeniny, ve kterých se střídají jednoduché a dvojné vazby, jsou aromatické; například cyklooktatetraen se obvykle vyskytuje v neplanárních konformacích. Jelikož do sebe p orbitaly nezapadají, tak jsou vazby π izolované a nikoliv konjugované. Nepřítomnost konjugace zamezuje antiaromaticitě molekuly, destabilizačnímu efektu objevujícímu se u molekul s 4n π (n = 0, 1, 2, ...) elektrony. Jelikož se zde dva elektrony nacházejí v degenerovaných nevazebných orbitalech, tak dochází k výraznému omezení termodynamické stabilizace. Tím dochází ke značnému nárůstu kinetické reaktivity látky. Jelikož je tento efekt velmi nepříznivý, tak cyklooktatetraen zaujímá nerovinnou konformaci a není aromatický, chová se tak jako alken. U derivátů cyklooktatetraenového dikationtu a dianiontu byl však experimentálně potvrzen rovinný tvar molekuly, což je v souladu s tím, že jde o stabilizované aromatické systémy s 6 či 10 π elektrony. Jelikož je antiaromaticita nevýhodnou vlastností, tak je známo jen několik takových látek, jako například cyklobutadien a cyklopentadienylový kationt.

V konjugovaném π systému mohou elektrony pohltit fotony určitých frekvencí, které odpovídají vzdálenosti p orbitalů; podobně jako u antény. Obvykle platí, že čím je konjugovaný systém delší, tím delší je vlnová délka záření, které může pohltit.[8]

V molekulách mnoha barviv se nacházejí konjugované systémy elektronů, které jim díky absorpci viditelného světla dodávají výrazná zbarvení; například dlouhý konjugovaný uhlovodíkový řetězec u betakarotenu vede k oranžové barvě. Když elektron absorbuje foton, může se dostat na vyšší energetickou hladinu. Jednoduchý model energetických hladin lze vytvořit pomocí modelu potenciálové jámy délky L, která představuje pohyb π elektronu podél konjigovaného řetězce uhlíkových atomů. V tomto modelu nejmenší možná absorbovaná energie odpovídá rozdílu energie mezi nejvyšším obsazeným (HOMO) a nejnižším neobsazeným (LUMO) molekulovým orbitalem. V řetězci s n vazbami C=C nebo 2 n atomy uhlíku v základním stavu molekuly je 2 n π elektronů v n molekulových ornitalech, takže rozdíl energie má následující hodnotu:[9]

${\displaystyle E_{n+1}-E_{n}={\frac {(2n+1)\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2mL^{2}}}}$

Protože se délka L s rostoucím počtem n vazeb C=C zvyšuje téměř lineárně, tak je energie ΔE absorbované při přechodu z HOMO do LUMO přibližně přímo úměrná 1/n; vlnová délka fotonu je tedy přibližně přímo úměrná n. I když je tento model značně zjednodušený, tak λ obecně se zvyšujícím se n (nebo L) u podobných molekul roste. Jako příklad je možné uvést vlnové délky absorbované v konjugovaných systémech v molekulách buta-1,3-dienu (217 nm), hexa-1,3,5-trienu (252 nm) a okta-1,3,5,7-tetraenu (304 nm).[10] K získání přesných výsledků je však třeba do modelu zahrnou také délky jednoduchých vazeb.[11]

K předpovídání absorpčních vlnových délek lze též použít Hückelovu metodu.

Mnoho přechodů elektronů v konjugovaných π systémech probíhá z vazebného do nevazebného molekulového orbitalu (tedy z π do π^*), ovšem elektrony z nevazebných volných párů mohou rovněž přejít do π  systému MO. K přechodu elektronu z HOMO do LUMO dojde tehdy, když takový přechod „dovolují“ určitá pravidla. Konjugované systémy s méně než osmi dvojnými vazbami absorbují pouze ultrafialové záření a jsou neviditelné. S každou další dvojnou vazbou se prodlužuje vlnová délka (a tedy snižuje energie) absorbovaných fotonů a barva sloučeniny se posouvá od žluté k červené. U látek s modrým či zeleným zabarvením obvykle není absorpce založená pouze na konjugovaném systému.

Pohlcování elektromagnetického záření v ultrafialové a viditelné oblasti se využívá v ultrafialovo-viditelné spektroskopii a je základním principem ve fotochemii.

K často využívaným druhům konjugovaných systémů patří diazosloučeniny, azosloučeniny a ftalokyaniny.

Ftalokyaniny

Konjugované systémy se nevyznačují pouze nízkou excitační energií, ale rovněž i snadným přijetím či odevzdáním elektronů. Ftalokyaniny, jako jsou ftalokyaninová modř BN a ftalokyaninová zeleň G, mají často ve svých molekulách atomy přechodných kovů a vyměňují si elektrony s jejich komplexovanými ionty, čímž snadno dochází ke změně oxidačního čísla.

Měďnatý ftalokyanin

Porfyriny a podobné sloučeniny

Porfyriny mají konjugované cyklické molekulové systémy, které jsou součástí řady enzymů. Porfyriny, jako ligandy, tvoří mnoho komplexů s ionty kovů; například železo v hemoglobinu dodává krvi červenou barvu. Další struktura nazývaná chlorin podobně vytváří komplex s hořečnatými ionty; vyskytuje se v chlorofylech, kterým dodává zelenou barvu. Korin je skupina, která se komplexuje s kobaltnatými kationty za vzniku kobalaminových molekul, například vitaminu B12, který je červený. Korinová jednotka má šest konjugovaných dvojných vazeb, ovšem není konjugovaná po celém makrocyklickém kruhu.

Hemová skupina hemoglobinu	chlorinová část molekuly chlorofylu a. Zeleně je označena funkční skupina, která se u různých druhů chlorofylů liší.	Struktura kobalaminu obsahuje korinový makrocyklus.

Chromofory

Konjugované systémy tvoří základy chromoforů, což jsou části molekul, které absorbují světlo a dodávají jim tak barvu. Chromofory často obsahují řetězce konjugovaných vazeb a/nebo cyklů, často aromatických, v nichž mohou být přítomny vazby C–C, C=C, C=O a N=N.

Chemická struktura betakarotenu; 11 konjugovaných dvojných vazeb vytvářejících chromofor této molekuly je zvýrazněno červeně.

Konjugované chromofory jsou součástí řady organických sloučenin jako jsou látky přirozeně obsažené v potravinách (lykopen a antokyanidiny), fotoreceptory, azobarviva a některá léčiva, mimo jiné tato:

Antimykotikum amfotericin B má konjugovaný systém sedmi dvojných vazeb, který funguje jako chromofor silně absorbující v ultrafialovém a viditelném spektru, díky čemuž je zbarven do žluta.