共役ジエンは、蓄積ジエンや単離されたジエンよりも水素化熱が低く、より安定しています。 共役系の安定性の向上は、その π 分子軌道から理解できます。
最も単純な共役ジエンは 1,3-ブタジエンです。これは、各炭素が sp2 混成し、不対電子を含む非混成 p 軌道を持つ 4 炭素系です。 分子軌道理論によれば、形成される分子軌道の数が関与する原子軌道の数と等しくなるように、原子軌道が結合して分子軌道を形成します。 1,3-ブタジエンの 4 つの原子 p 軌道の線形結合により、以下に示す 4 つの分子軌道が生じます。
結合性分子軌道 ψ1 と ψ2 は原子軌道に比べてエネルギーが低く、反結合性分子軌道 ψ3 と ψ4 はエネルギーが高くなります。 不対電子は最低エネルギーの分子軌道から埋められます。 各軌道には最大 2 つの電子を収容できるため、4 つの不対電子は ψ1 と ψ2 の間に分布します。 電子分布に基づくと、ψ2 は最高被占分子軌道 (HOMO)、ψ3 は最低空軌道 (LUMO) です。
各分子軌道は個別であり、その違いは 4 つの p 軌道の位相に起因します。 一般に、2 つの原子 p 軌道間の同位相の重なりにより π 結合が形成されます。 ただし、位相がずれたオーバーラップにより、ノード、つまり 2 つの原子間に結合相互作用がない電子密度がゼロの領域が生じます。
1,3-ブタジエンでは、最低エネルギーの分子軌道 ψ1 は、連続 π 系を形成する 4 つの p 軌道すべての同相の重なりによって形成されます。 ψ2 では、中心の 2 つの炭素間の位相がずれた重なりによってノードが生じます。 ノードの数は、ψ3 では 2 つ、ψ_4 では 3 つに増加します。 要約すると、ノードの数が増加すると分子軌道のエネルギーは増加しますが、結合相互作用は減少します。
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