Por que anéis aromáticos absorvem luz?

Tudo o que vemos absorve a luz (caso contrário, tudo o que vemos seria branco). Portanto, não surpreende que os anéis aromáticos também funcionem, pois podemos vê-los. Mas a pergunta não é feita da maneira correta.

HOMO-LUMO GAPS

Anéis aromáticos, especialmente os maiores, altamente conjugados $π$ $pi$ sistemas, pequeno Lacunas HOMO-LUMO, que correspondem ao $nb \to π^{*}$ $"nb"->pi^"*"$ ou de $π \to π^{*}$ $pi->pi^"*"$ transições (ou ambas), dependendo da configuração MO da molécula.

Por exemplo, a $π_{2} \to π_{4}^{*}$ $pi_2->pi_4^"*"$ or $π_{3} \to π_{5}^{*}$ $pi_3->pi_5^"*"$ transições correspondem ao HOMO $\to$ $->$ Transições LUMO de benzeno.

VAMOS EMITIDO, NÃO ABSORVIDO LUZ

Lembre-se de que absorvido a luz é NÃO o que vemos; vemos luz emitidadevido ao relaxamento dos elétrons excitados.

Ou seja, se apenas azul a luz é absorvida, vemos Laranja, a cor complementar. E se todos a luz é absorvida, vemos preto.

Acontece que alguns (mas não todos) anéis aromáticos fluorescentes têm lacunas de energia HOMO-LUMO que estão na faixa visível de frequências, emitindo assim luz visível sobre relaxamento dos elétrons excitados.

Neste diagrama, a molécula do anel de quatro benzenos (tetraceno) absorve a luz na faixa visível ( $400 ~ 700$ $400~700$ $nm$ $"nm"$ ).

Mas você vê com base nas moléculas de anel de dois benzenos e anéis de três benzenos que nem todos os compostos aromáticos emitem luz visível ...

EXEMPLO INCOLOR

Por exemplo, a diacenogap de HOMO-LUMO calculado pelo (naftaleno) is $E_{gap}^{KS} \approx 4.74 eV$ $E_"gap"^"KS" ~~ "4.74 eV"$ , Utilizando teoria da densidade funcional (pág. 17, com base na diferença de Kohn-Sham autovalores, portanto $KS$ $"KS"$ ).

$4.74 eV \times \frac{1.6027 \times 10^{- 19} J}{1 eV} = 7.593 \times 10^{- 19} J$ $"4.74 eV" xx (1.6027xx10^(-19) "J")/("1 eV") = 7.593xx10^(-19) "J"$

Agora, convertendo isso para $nm$ $"nm"$ , devemos pousar entre $400$ $400$ e $700$ $700$ $nm$ $"nm"$ somente se estiver no visível faixa de comprimento de onda. Vamos ver como isso funciona.

Lembre-se da equação para converter energia em comprimento de onda:

$mathbf(E) = hnu = mathbf((hc)/lambda)$

where:

$E$ is the energy in $"J"$ .

$h = 6.626xx10^(-34) "J"cdot"s"$ is Planck's constant.

$c = 2.998xx10^(8) "m/s"$ is the speed of light.

$lambda$ is the wavelength in $"m"$ .

Assim, obtemos:

$color(green)(lambda) = (hc)/E$

$= ((2.998xx10^(8) "m/s")(6.626xx10^(-34) "J"cdot"s"))/(7.593xx10^(-19) "J")$

$= 2.6160xx10^(-7) "m"$

$~~$ $color(green)("262 nm")$

Está nas centenas de $"nm"$ ... mas não colorido. Não está na faixa visível de $400~700$ $"nm"$ .

EXEMPLO COLORIDO

Algo colorido é tetraceno, que são quatro anéis de benzeno conectados adjacentemente por suas ligações (e não por carbonos únicos).

Tetraceno; Desenhado em MarvinSketch

O HOMO-LUMO gap para tetraceno dos cálculos de DFT (pág. 17) é considerado $E_"gap"^"KS" = "2.74 eV"$ .

Portanto, o comprimento de onda correspondente é:

$color(green)(lambda) = (hc)/E$

$= ((2.998xx10^(8) "m/s")(6.626xx10^(-34) "J"cdot"s"))/("2.74 eV" xx (1.6027xx10^(-19) "J")/("1 eV"))$

$= 4.524xx10^(-7) "m"$

$~~$ $color(green)("452 nm")$

Isso está absorvendo a luz azul, então parece laranja (veja o final da página).

E se estendermos a pentaceno (Anéis de benzeno adjacentes 5), teríamos $E_"gap"^"KS" = "2.19 eV"$ , correspondente a $lambda ~~ "566 nm"$ , E assim por diante.

Observe o padrão do papel:

$E_"gap, diacene"^"KS" ~~ "4.74 eV" harr "262 nm"$

$E_"gap, triacene"^"KS" ~~ "3.54 eV" harr "350 nm"$

$E_"gap, tetracene"^"KS" ~~ "2.74 eV" harr "452 nm"$

$E_"gap, pentacene"^"KS" ~~ "2.19 eV" harr "566 nm"$

$E_"gap, hexacene"^"KS" ~~ "1.78 eV" harr "696 nm"$

E TODOS estes estão no $200~700$ $"nm"$ intervalo, ou seja, o Faixa de comprimento de onda UV-Vis. No entanto, dessas cinco moléculas, apenas o tetraceno, pentaceno e hexaceno absorvem visível leve.

O gap HOMO-LUMO converge para cada vez maior conjugado $pi$ sistemas e, portanto, é provável que os sistemas aromáticos maiores sejam coloridos.