Konjugace a barva

Většina organických molekul je bezbarvá. Příkladem může být ethen neboli ethylen. Ethen má dva uhlíky. Každý z nich má hybridizaci sp². Takže každý z těchto uhlíků má p-orbital. Celkově tu máme dva p-orbitaly nebo také dva atomové orbitaly. Z těchto dvou atomových orbitalů vzniknou dva molekulové orbitaly. Vznikne jeden vazebný a jeden nevazebný molekulový orbital. Vazebný molekulový orbital má nižší energii. Tady dole je vazebný molekulový orbital. Antivazebný molekulový orbital má vyšší energii. Tohle je antivazebný molekulový orbital. Ethen má dva pí elektrony. Tyto dva pí elektrony zvýrazním fialově. Tyto dva pí elektrony obsadí vazebný molekulový orbital. Takže tento orbital je obsazený. Také můžeme říct, že tohle je nejvyšší obsazený orbital, neboli HOMO. Tohle je pak nejnižší neobsazený molekulový orbital neboli LUMO. Mezi HOMO a LUMO je tento energetický rozdíl. Tento rozdíl je velmi důležitý, neboť odpovídá určité vlnové délce světla. Energie se rovná Planckově konstantě krát rychlost světla děleno vlnovou délkou. Takže energie a vlnová délka jsou nepřímo úměrné. Takže určité množství energie odpovídá určité vlnové délce světla. Tento rozdíl energie mezi HOMO a LUMO odpovídá určité vlnové délce. Ta vlnová délka je asi 171 nm. Když ethen absorbuje světlo o vlnové délce 171 nm, tak to odpovídá rozdílu energií mezi HOMO a LUMO. To je dostatek energie pro jeden z těchto elektronů, aby přeskočil z HOMO do LUMO v rámci přechodu z orbitalu pí do pí s hvězdičkou. Přechodu z orbitalu pí do pí s hvězdičkou už jsme se věnovali v prvním videu zaměřeném na UV/Vis spektroskopii. Určitě se na to video podívejte před tímto. To je to, co vidíme u ethenu. Absorbuje světlo o vlnové délce 171 nm. Teď se pojďme podívat na 1,3-butadien, který má čtyři uhlíky. Každý z těchto uhlíků má hybridizaci sp². Takže každý z nich má p-orbital. Máme tu čtyři p-orbitaly, takže čtyři atomové orbitaly, ze kterých vzniknou čtyři molekulové orbitaly. Dva vazebné a dva antivazebné. Dva vazebné orbitaly mají nižší energii než dva antivazebné orbitaly. Máme tu celkem čtyři pí elektrony. Tady jsou dva pí elektrony a tady jsou další dva, takže celkem čtyři pí elektrony. Tyto pí elektrony se nachází ve vazebných molekulových orbitalech. Teď zkusíme najít nejvyšší obsazený molekulový orbital. Je to tento. A nejnižší neobsazený molekulový orbital máme tady. Takže tohle je rozdíl energií mezi HOMO a LUMO. Všimněte si, že tento energetický rozdíl je menší než tady v předchozím příkladě. Takže když si vzpomeneme na vztah mezi energií a vlnovou délkou... Energie a vlnová délka jsou nepřímo úměrné. Pokud se sníží energetický rozdíl, tak se musí zvýšit vlnový délka. Takže vlnová délka bude delší než v předchozím případě. Místo 170 nm bude 1,3-butadien bude absorbovat světlo o vlnové délce 217 nm. Nakonec se podívejme na 1,3,5-hexatrien. Spočítejme si pí elektrony. Máme tu dva, čtyři, šest pí elektronů. Těchto šest pí elektronů obsadí tři vazebné molekulové orbitaly. V dalším kroku určíme nejvyšší obsazený molekulový orbital a také nejnižší neobsazený molekulový orbital. Podíváme se na jejich energetický rozdíl. Všimněte si, že rozdíl energií se opět zmenšil. Pokud došlo k poklesu energetického rozdílu, tak se zvýšila vlnová délka absorbovaného světla. Vlnová délka absorbovaného světla musí tedy být delší, než je tato. Bude rovna zhruba 258 nm. Takže hexatrien absorbuje světlo o vlnové délce zhruba 258 nm. To je stále v ultrafialové oblasti spektra elektromagnetického záření. Takže hexatrien je také bezbarvý. Aby byla sloučenina barevná, musí absorbovat světlo ve viditelné oblasti. Toho se dá dosáhnout pomocí konjugovaných vazeb. Tady tento hexadien má konjugované vazby. Střídají se dvojná vazba, jednoduchá, dvojná, jednoduchá a dvojná vazba. Ale stále absorbuje světlo pouze z UV oblasti. Představte si tedy molekulu, která má mnohem více konjugovaných vazeb než hexatrien. Více konjugovaných vazeb vede k prodloužení vlnové délky absorbovaného světla. Všimněte si toho tady. Zvýšením počtu konjugovaných vazeb došlo k prodloužení vlnové délky absorbovaného světla. Pokud budeme mít systém s velkým množstvím konjugovaných vazeb, tak dojde k absorpci ještě vyšších vlnových délek. Pokud se dostaneme přes zhruba 400 nm, tak už to bude ve viditelné oblasti. Taková molekula by se nám již měla jevit jako barevná. Takhle by to mělo být. Mnoho konjugovaných vazeb vede k barevnosti molekul. Podívejme se na betakaroten, o kterém jsem se již zmínil v předchozím videu. Betakaroten je oranžový. Takže tady máme oranžovou molekulu. Řekli jsme si, že za barevností stojí konjugované vazby. Podívejme se na konjugovaný systém betakarotenu. Prozkoumejme všechny ty střídající se jednoduché a dvojné vazby. Velké množství konjugovaných vazeb znamená, že molekula může absorbovat světlo o delších vlnových délkách. Absorbuje světla ve viditelné oblasti elektromagnetického spektra. Betakaroten absorbuje modré světlo a odráží oranžové. Z tohoto důvodu tato molekula a také mrkev, která ji obsahuje, se jeví jako oranžové. Je za tím konjugace. Pojďme se podívat ještě na jeden příklad, a to na fenolftalein. Fenolftalein je asi nejznámějším indikátorem při acidobazických reakcích. Pokud jste absolvovali laboratorní cvičení z obecné chemie, tak jste určitě používali fenolftalein jako indikátor při acidobazické titraci. Tak víte, že při nízkém pH, tedy v kyselém prostředí, je fenolftalein bezbarvý. Ale když přidáme zásadu, dojde ke zvýšení pH. Při zvýšení pH se objeví růžové nebo fialové zbarvení. Pojďme si vysvětlit, proč tomu tak je. Nejprve přidáme hydroxid sodný. Tady je hydroxidový anion. Sem nakreslím další hydroxidový anion. Tento kyslík má záporný náboj minus jedna. Hydroxidový anion se bude chovat jako zásada. Vezme si tento proton. Takže můžeme vzít tyto elektrony a přesunout je sem. Tím dojde k přesunu těchto elektronů sem. Tyto elektrony se posunou sem. A tyto elektrony přejdou na kyslík. Další hydroxid si přitáhne tento proton. A tyto elektrony přejdou na tento kyslík. Pojďme se zaměřit na tyto elektrony. Fialové elektrony se posunou sem. Další elektrony označím modře, ty se posunou sem. Další elektrony budou zelené, ty se posunou sem. A máme tu ještě červené elektrony, které půjdou pryč, a to na tento kyslík. Takže kyslík bude mít formální náboj minus jedna. Pokud si hydroxidový anion přitáhne tento proton, tak tyto elektrony přejdou na tento kyslík, a ten bude mít formální náboj minus jedna. Tady se vytvoří ion. Tento ion má růžovou nebo fialovou barvu. Pokud se na něj podíváme zblízka, tak uvidíme proč. Podívejte se na tyto konjugované vazby. Střídá se tu hodně jednoduchých a dvojných vazeb. Takže dvojná vazba, jednoduchá, dvojná, jednoduchá a tak dále. Dá se říci, že celý anion je konjugovaný. Je to velký konjugovaný systém. Díky tomu může anion absorbovat světlo ve viditelné oblasti. Proto tu má růžovou barvu. Můžeme se na to také podívat z druhé strany. Pokud přidáme kyselinu, tak bude fenolftalein zase bezbarvý. Důvodem, proč tomu tak je, je tento uhlík. Zvýrazním ho. Tento uhlík má hybridizaci sp³. Takže nemá p-orbital. V benzenovém jádru je také několik konjugovaných vazeb. Střídají se tam jednoduché a dvojné vazby. Ale tyto konjugované vazby jsou přerušeny na centrálním uhlíku. Konjugované vazby tedy nejsou na celé molekule. Není tu dost konjugovaných vazeb, a proto molekula neabsorbuje záření ve viditelné oblasti spektra. Takže se zdá být bezbarvá. Podívejme se na tento uhlík napravo. Označím ho červeně. Tento uhlík má hybridizaci sp². Takže má p-orbital, který umožňuje delokalizaci těchto elektronů. Je tu hodně konjugovaných vazeb, takže molekula bude barevná. Snad vám tohle video objasnilo, proč jsou konjugované vazby důležité pro barevnost molekuly.