Сопряженные системы с открытой замкнутой цепью. Энергия сопряжения.

p-Связь может быть локализованной и делокализованной. Локализованной называется двойная связь, в которой электронная плотность p-связи охватывает только два ядра связываемых атомов. Делокализованная связь характерна для сопряженных систем. Если
в молекулах присутствуют две двойные связи (или более) разделенные одной одинарной связью или у атома, соседнего с двойной связью, имеется р-орбиталь, то р-орбитали соседних атомов могут перекрываться друг с другом, образуя общую p-электронную систему. Такая система называется сопряженной.

Различают два вида сопряжения: p-p-сопряжение и р-p-сопря-жение. Примером простейшей p-p-сопряженной системы является молекула бутадиена-1,3. В молекуле бутадиена-1,3 две p-связи разделены одной s-связью. Все атомы углерода находятся в sр2-гибридизации, и молекула имеет плоскостную структуру. Негибридизованные рZ-орбитали каждого атома углерода расположены перпендикулярно этой плоскости, т. е. параллельно друг другу. Это создает условия для их взаимного перекрывания. Перекрывание рZ-орбиталей приводит к образованию единого p-электронного облака. В этом случае говорят, что происходит делокализация p-электронов, т. е. образуется p-p-сопряженная система.

Если рядом с двойной связью находится атом, имеющий несвязывающую р-орбиталь, то такой тип сопряжения называется р-p. На р-орбитали такого атома находится неподеленная пара электронов. Чаще всего в формировании р-p-сопряжения участвуют гетероатомы — кислород, азот, галогены, сера. Их р-орбитали взаимодействуют с электронами p-связи, образуя р-p-сопряженную систему. Примером может служить молекула дивинилового эфира:

Сопряжение может осуществляться не только в нейтральных молекулах, но и в свободных радикалах, ионах:

Сопряжение в открытых системах возникает при следующих условиях:

а) все атомы, участвующие в образовании сопряженной системы, находятся в sр2-гиб-ридизации;

б) рZ-орбитали всех атомов, образующих сопряженную систему, перпендикулярны плоскости s-скелета, т. е. параллельны друг другу.

При образовании сопряженной многоцентровой системы происходит частичное выравнивание длин связей. Так, данные электронографии показывают, что расстояние между углеродными атомами, связанными двойной связью в молекуле бутадиена-1,3 равны
0,137 нм, а расстояние между атомами углерода, связанными s-связью равно 0,148 нм.

Вид рz АО бутадиена-1,3 сверху

Делокализация p-электронов в сопряженной системе сопровождается выделением энергии. Система переходит на более низкий энергетический уровень, становится более стабильной.

Степень термодинамической устойчивости выражается как разность полной p-элек-тронной энергии несопряженных связей (локализованных) и p-электронной энергии всей
сопряженной системы. Эта энергия носит название энергии сопряжения. Так, образование сопряженной системы в случае бутадиена-1,3 дает выигрыш в энергии равный 15 кДж/моль. Чем длиннее цепь сопряжения, тем больше выигрыш в энергии при ее образовании, тем термодинамически устойчивее молекула.

Примерами биологически важных открытых сопряженных систем являются b-каро-тин, ретинол, ретиналь.