Wie kann man chemische Konjugation leicht erklären?
Und wie an diesem Beispiel (das ist übrigens nicht unser Buch)
2 Antworten
(Hab mal den Wikipedia-Artikel dazu überflogen - das Thema ist tatsächlich etwas umfangreicher als die "konjugierten Doppelbindungen", die ich bisher kannte)
Zunächst haben wir bei Konjugation immer eine Kette von Atomen und mindestens eine Doppelbindung. Meistens besteht die Kette aus Kohlenstoffatomen oder großenteils aus Kohlenstoffatomen - Kohlenstoff ist nun einmal das Element, das die mit Abstand längsten und stabilsten Ketten bildet.
Nennen wir die Atome mit der Doppelbindung mal Atom 1 und Atom 2; das nächste Atom in der Kette Atom 3. (Das kann, muss aber nicht, mit der Nummerierung in Alkenketten übereinstimmen - Doppelbindungen können ja auch mittendrin auftreten.)
Als nächstes ist diese Doppelbindung nicht streng zwischen ihren Bindungspartnern lokalisiert. D. h. sie "schwappt" etwas "über den Tellerrand". Zumindest in Richtung Atom 3, ggf. auch in die andere Richtung.
Dazu rufen wir uns in Erinnerung, was eine Doppelbindung ist: zunächst haben wir eine gewöhnliche Einfachbindung - hier haben wir zwei "Orbitale", deren "Keulen" aufeinander zu weisen. Dadurch bekommen wir eine drehbare Bindung. Aber das ist ja erst eine Einfachbindung; eine Doppelbindung können wir an dieser Stelle nicht machen, weil wir sonst zwei gleichartige "Orbitale" an derselben Stelle hätten. (Das nennt man σ-Bindung - σ = "sigma" - warum, führt hier zu weit, denke ich.)
Bei der 2. Bindung der Doppelbindung "überlappen" sich "Orbitale", die quer zur Richtung der Einfachbindung stehen. (Diese Orbitale bilden für gewöhnlich Doppelkeulen, die nach zwei gegenüberliegenden Seiten aus dem Atomrumpf "herausschauen". Natürlich müssen die "Quer-Orbitale" parallel zueinander stehen, sonst könnten sie sich ja schlecht "überlappen". (Das nennt man π-Bindung - π = "pi")
Wenn Atom 3 nun ein Orbital in derselben Querrichtung hat wie die Orbitale dieser π-Bindung, können die Elektronen dieser π-Bindung über Atom 2 hinaus dem Atom 3 näher kommen. Damit haben sie mehr Platz zur Verfügung als wenn sie auf den Raum zwischen Atom 1 und Atom 2 beschränkt wären.
Mehr Platz bedeutet in der Quantenmechanik immer auch niedrigere Grundenergie. D. h. bei Konjugation haben wir immer ein Molekül, das in einem tieferen "Potentialtal" liegt als ein Molekül ohne Konjugation. D. h. wir brauchen mehr Energie, um das Molekül über den "Berg zu heben" - die Bindung aufzulösen. D. h. eine konjugierte Bindung ist immer stabiler als eine nichtkonjugierte.
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Wenn "hinter" Atom 3 noch ein Atom 4 folgt und Atom 3 und Atom 4 ebenfalls eine Doppelbindung bilden - das nennt man "konjugierte Doppelbindungen" -, können alle 4 Elektronen der beiden π-Bindungen den Raum zwischen Atom 3 und Atom 4 verwenden und haben damit noch mehr Platz als bei nur einer Doppelbindung. Dadurch verstärkt sich der Effekt der Konjugation erheblich.
Wenn wir uns z. B. die Strukturformeln der Karotine anschauen, sehen wir, dass da viele konjugierte Doppelbindungen hintereinander auftreten. Wir haben hier also viele Elektronen, die eine lange Strecke zu ihrer Verfügung haben. Das Molekül wirkt dadurch wie ein Antennendraht, der elektromagnetische Strahlung aufnehmen kann. Nur eben keine Radiowellen, wie ein Antennendraht, den wir sehen können, sondern sichtbares Licht. Wenn so ein Karotin z. B. blaues Licht schlucken kann, sehen wir die "Komplementärfarbe", in diesem Fall Orange.
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In dem Bild, das du angehängt hast, sieht man rechts ein paar "mesomere Grenzstrukturen", das sind die Strukturen, die sich ergeben würden, wenn die Elektronen ganz an ihrem "klassischen" Ort wären oder wenn sie ganz zum nächst erreichbaren Nachbarort "rübergeschwappt" wären. "Mesomerie" kommt übrigens vom griechischen "mésos" = "Mitte" und bedeutet, dass die "Wahrheit" irgendwo in der "Mitte" zwischen den Extremen liegt.
Was genau links unten dargestellt werden soll, kann ich mir nicht so ganz erklären. Als Physiker würde ich erwarten, dass da links zwei Grafiken sind, wo nur jeweils der grüne Pfeil mit zugehöriger Niveaulinie ist. (Rechts die angedeuteten Wellenlinien kann ich auch nicht interpretieren.)
Dann haben wir beim Übergang nach rechts ein typisches Aufspalten von Energieniveaus - wenn man zwei schwingfähige Systeme einander nahe bringt, gibt es typischerweise zwei Überlagerungen der Schwingungsmoden, eine, wo eine niedrigere Energie/Frequenz bei rauskommt als bei den Einzelsystemen, und eine, wo eine höhere Frequenz rauskommt. (Siehe z. B. "gekoppelte Pendel. - Auch räumlich begrenzte quantenmechanische Systeme sind schwingungsfähige Systeme.)
Auf zyklisch kommt es hierbei nicht an. Allerdings stellen "Aromaten" - mit Sechserringen mit je drei konjugierten Doppelbindungen - einen Sonderfall dar - hier sind die π-Elektronen vollständig delokalisiert.
Bei den Bildern mit Doppelbindungen am Aromatenring haben wir wieder im Prinzip dasselbe wie sonst bei "verzweigten" Konjugationen.
Wenn sich in einem Molekül mehrere Doppelbindungen nebeneinander befinden, tritt Konjugation auf. Ein besonderer Fall ist, wenn das Ganze noch zyklisch ist, dann kann unter Umständen Aromatizität auftreten, welches nochmal andere Effekte mit sich bringt.
Diese Konjugation bewirkt nun, dass die beteiligten Elektronen der Doppelbindung (quasi eigentlich nur von der zweiten Bindung, auch pi-Bindung genannt) sich "quasifrei" über die gesamte Distanz der Konjugation bewegen können. Das hat verschiedene Auswirkungen. Ein Beispiel ist die Lichtabsorption. Konjugation mit sehr vielen Doppelbindungen tritt oft in Chromophoren auf (Carotinoide z.B.). Ein anderer Effekt ist, dass Ladungen oder Radikale gut stabilisiert werden können, da sie sich über das konjugierte System nicht so starr an einem Platz befinden, sondern delokalisiert sind. Dadurch ist nicht an einer Stelle eine besonders hohe Ladungsdichte. Dieser Effekt lässt sich oft mit Mesomerieformeln darstellen.
Ich meinte das Bilder, wo eines grau und eines lila ist, tut mir leid, bei mir waren noch alle Beschriftungen da, aber irgendwie gingen die beim Speichern verloren ..
Kann ich bei dem Beispiel einfach sagen Doppelbindungen in der zyklischen Verbindung oder ist das falsch?