Koniugacja a rezonans
Koniugacja i rezonans to dwa ważne zjawiska w zrozumieniu zachowania cząsteczek.
Co to jest koniugacja?
W cząsteczce, gdy obecne są naprzemienne wiązania pojedyncze i wielokrotne, mówimy, że układ jest sprzężony. Na przykład cząsteczka benzenu jest układem sprzężonym. W wiązaniu wielokrotnym występuje jedno wiązanie sigma i jeden lub dwa stawy pi. Wiązania pi są tworzone przez nakładanie się orbitali p. Elektrony na orbitalach p znajdują się prostopadle do płaszczyzny cząsteczki. Więc kiedy w wiązaniach naprzemiennych występują wiązania pi, wszystkie elektrony są zdelokalizowane w całym sprzężonym układzie. Innymi słowy, nazywamy to chmurą elektronów. Ponieważ elektrony są zdelokalizowane, należą do wszystkich atomów w układzie sprzężonym, ale nie tylko do jednego atomu. Zmniejsza to ogólną energię systemu i zwiększa stabilność. W tworzeniu sprzężonego układu mogą brać udział nie tylko wiązania pi, ale także pojedyncze pary elektronów, rodniki czy jony karbenu. W takich przypadkach istnieją albo niezwiązane orbitale p z dwoma elektronami, jednym elektronem lub bez elektronów. Istnieją liniowe i cykliczne systemy sprzężone. Niektóre są ograniczone tylko do jednej cząsteczki. Gdy istnieją większe struktury polimerowe, mogą istnieć bardzo duże układy sprzężone. Obecność koniugacji pozwala cząsteczkom działać jako chromofory. Chromofory mogą pochłaniać światło; dlatego związek będzie zabarwiony.
Co to jest rezonans?
Pisząc struktury Lewisa, pokazujemy tylko elektrony walencyjne. Mając wspólne atomy lub przenosząc elektrony, staramy się nadać każdemu atomowi konfigurację elektronową gazu szlachetnego. Jednak w tej próbie możemy narzucić elektronom sztuczną lokalizację. W rezultacie dla wielu cząsteczek i jonów można zapisać więcej niż jedną równoważną strukturę Lewisa. Struktury napisane przez zmianę położenia elektronów są znane jako struktury rezonansowe. Są to struktury, które istnieją tylko w teorii. Struktury rezonansowe przedstawiają dwa fakty dotyczące struktury.
• Żadna ze struktur rezonansowych nie będzie poprawną reprezentacją rzeczywistej cząsteczki. I żaden nie będzie całkowicie przypominał chemicznych i fizycznych właściwości rzeczywistej cząsteczki.
• Rzeczywista cząsteczka lub jon będzie najlepiej reprezentowana przez hybrydę wszystkich struktur rezonansowych.
Struktury rezonansowe są pokazane za pomocą strzałki ↔. Poniżej przedstawiono struktury rezonansowe jonów węglanowych (CO32-).
Badania rentgenowskie wykazały, że rzeczywista cząsteczka znajduje się pomiędzy tymi rezonansami. Według badań wszystkie wiązania węgiel-tlen są równej długości w jonach węglanowych. Jednak zgodnie z powyższymi strukturami widzimy jedno wiązanie podwójne i dwa wiązania pojedyncze. Dlatego też, jeśli te struktury rezonansowe występują oddzielnie, w idealnym przypadku w jonie powinny występować różne długości wiązań. Te same długości wiązań wskazują, że żadna z tych struktur faktycznie nie występuje w przyrodzie, istnieje raczej ich hybryda.
Jaka jest różnica między koniugacją a rezonansem?
• Rezonans i koniugacja są ze sobą powiązane. Jeśli w cząsteczce występuje koniugacja, możemy narysować do niej struktury rezonansowe, zmieniając wiązania pi. Ponieważ elektrony pi są zdelokalizowane w całym sprzężonym układzie, wszystkie struktury rezonansowe są ważne dla takiej cząsteczki.
• Rezonans umożliwia sprzężonemu systemowi delokalizację elektronów.
