Mesomerie und delokalisierte Elektronen?

Ich versuch es mal einfach zu machen :

Mesomerie kann immer dann auftauchen, wenn Doppelbindungen im Spiel sind. Doppelbindungen bestehen ja bekanntlich aus zwei Einfachbindungen, wobei die zweite Bindung (die pi-Elektronen) beweglich ist... und woanders "hinklappen" (bzw. "schwingen") kann.

Hier spricht man von einem (beweglichen und dadurch) "delokalisierten pi-Elektronensystem".

Wenn diese pi-Elektronen von einer Doppelbindung zu einer anderen Einfachbindung klappen (und dort eine neue Doppelbindung entsteht), spricht man von einem mesomeren Grenzzustand.

Es ist also wie eine Art Momentaufnahme einer "neuen" Verbindung, die im nächsten Moment aber sofort weiterklappt... oder wieder zurückschwingt.

Mesomerie ist also sozusagen die Fähigkeit, solche Momentaufnahmen erzeugen zu können (aufgrund der beweglichen pi-Elektronen).

Es ist klar, dass bei einem sogenannten "konjugierten" System (also immer abwechselnd Doppelbindung - Einfachbindung - Doppelbindung - Einfachbindung) die pi-Elektronen besonders gut schwingen können :

C=C-C=C-C=C könnte z.B. so aussehen : C-C=C-C=C-C, wenn jeweils ein pi-Elektron immer nach rechts geklappt ist. (Ladungen natürlich nicht vergessen).

Je größer nun so ein konjugiertes System ist, desto größer ist die absorbierte Wellenlänge des Lichtes - und umso tiefer ist der Farbton, der von uns wahrgenommen wird.

Wenn man zu Tomatensaft (der den Farbstoff Lycopin enthält) z.B. Brom gibt, dann wird im Lycopin das pi-Elektronenpaarsystem unterbrochen, da Brom addiert wird. Somit kann das System nicht mehr so gut schwingen, und die rote Farbe des Tomatensaft ändert sich entsprechend.

Nach der Valence-Bond (VB)-Theorie sind es pi-Elektronen, wie sie in Doppel-und Dreifachbindungen vorkommen. Für eine Delokalisieriung dieser Elektronen ist es nötig, dass abwechselnd Doppel- und Einfachbindungen vorliegen. Die Elektronenwolken können so in Resonanz miteinender treten, oder: die Funktionen für die Atomorbitale können auch über mehrere Atome hinweg addiert werden. Diese als Mesomerie, Resonanz oder Delokalisierung bezeichnete Erscheinung bedingt einen Energiegewinn: das Molekül wird stabiler je mehr Elektronenpaare in Resonanz treten können.

Man sagt auch: die Elektronen sind leichter beweglich und über das Molekül bzw. den Molekülbereich verschmiert.

Benzol ist ein klassischer Fall. Die Schreibweise mit 6 C-Atomen und abwechselnd einer Doppelbindung und einer Einfachbindiung ist nur ein Grenzfall von vielen. Man kann durch "Klappen der pi-Bindungen" auch viele andere Grenzstrukturen zeichnen, von denen allerdings keine die Realität trifft. Die Wirklichkeit ist, dass die pi-Elektronen im unsubstituierten Benzol über den ganzen Ring gleichmäßig verteilt sind.

Solange konjugierte pi-Systeme nicht polarisiert sind, zeigen sie deshalb auch nicht die Eigenschaft einer einfachen Doppelbindung (elektrophile Addition). Bindungslängen und Bindungsstärken der C=C-Bindung sind deshalb auch anders als in konjugierten -C=C-C=C-C=C- Systemen.

Die leichtere Beweglichkeit der Elektronen kann durch schiebende und ziehende Substituenten (push-pull-Systeme) so verändert werden, dass die Absorption von Licht verändert wird und sich dadurch Farbigkeit oder Farbänderungen ergeben.

Als Mesomerie (Resonanz) wird die Erscheinung bezeichnet, dass die in einem Molekül oder mehratomigen Ion vorliegenden Bindungsverhältnisse nicht durch eine einzige Strukturformel dargestellt werden können, sondern nur durch mehrere Grenzformeln. Keine dieser Grenzformeln beschreibt die Bindungsverhältnisse und damit die Verteilung der Elektronen in ausreichender Weise. Die tatsächliche Elektronenverteilung des Moleküls bzw. Ions liegt zwischen den von den Grenzformeln angegebenen Elektronenverteilungen. Dies wird durch den Mesomeriepfeil (Resonanzpfeil) ↔ symbolisiert, der nicht mit dem ein chemisches Gleichgewicht symbolisierenden Doppelpfeil verwechselt werden darf. Der Begriff der Mesomerie wurde 1933 von Christopher Kelk Ingold eingeführt.

Die Eigenschaft Farbstoff ist in der chemischen Struktur des Materials begründet. Die Schwingungen von Molekülen mit σ-Bindungen absorbieren elektromagnetische Energie im Röntgen- und UV-Bereich. Moleküle mit Elektronen in π-Bindungen (ungesättigte Bindungen) werden bereits bei geringerer Energie von elektromagnetischen Wellen (oder Photonen) angeregt. Solche Wechselwirkungen (Elektronensprünge) im langwelligen UV und besonders im sichtbaren Teil des Lichtes können einen Farbreiz auslösen, solche Substanzen sind als Farbstoff nutzbar. Geeignete Molekülstrukturen heißen Chromophore, nach der Farbstofftheorie von Otto Nikolaus Witt. Die Schwingungseigenschaften der Chromophore werden von Auxochrome (Elektronendonatoren) und Antiauxochrome (Elektronenakzeptoren) durch Polarisierung des Moleküls verändert. So ergibt sich eine Verschiebung der vorhandenen delokalisierten oder π-Elektronen.

Bei mehreren konjugiert ungesättigten Bindungen im Molekül, lassen sich die π-Elektronen „verschmieren“, delokalisieren und der Energieabstand vom angeregten zum Grundzustand verringert sich, die Absorption und die Emission verschieben sich zu längeren Wellenlängen. Der Absorptionsbereich wird umso langwelliger, je mehr solcher ungesättigten Bindungen konjugiert sind. Eine weitere Anhebung kann mit funktionellen Gruppen erreicht werden, diese fungieren als Elektronenakzeptoren oder Elektronendonatoren und erhöhen die Mesomerie im Molekül. Die Wirkung beruht auf einer Elektronverschiebung zur funktionellen Gruppe hin oder von dieser weg. Als Auxochrome bzw. Antiauxochrome wirken folgende funktionelle Gruppen:

R-OH, R-O-R´, R-NH2, R-NH-R´, R-NHCO-R´, R2-C=O, R-NO2, R-CHO R-COOH, R-SO3H, R-C=NR´