共役系
ポルフィリンは、共役分子環系(大員環化合物)を持ち、生物系の多くの酵素で見られる。配位子として、ポルフィリンは濃い赤色を呈するヘモグロビンの鉄の様な金属イオンと数多くの錯体を形成する。ヘモグロビンは人体の細胞に酸素を輸送する。ポルフィリン-金属錯体は、しばしば強い色を呈する。クロリンと呼ばれる同様の分子構造環ユニットは、鉄の代わりにマグネシウムと同様の錯体を形成し、緑色を呈する最も一般的なクロロフィル分子の部分構造となる。もう一つの同様の大員環ユニットはコリンであり、コバラミン分子の部分構造としてコバルトと錯体を形成する。コバラミン類のビタミンB12は非常に強い赤色である。コリンユニットは6つの共役二重結合を持つが、大員環全てに渡っては共役していない。
共役系は強い色を呈する特色がある。多くの色素は共役系を利用している。例えばβ-カロテン中の共役長炭化水素は強いオレンジ色を呈する。共役系中の電子が適切な波長の光の光子を吸収すると、高エネルギーレベルに励起する(井戸型ポテンシャルを参照)。これらの電子遷移のほとんどは、偶対称性を持つ一つの共役π系分子軌道 (molecular orbital, MO) から奇対称性を持つもう一つの共役π系分子軌道への遷移(π → π)である。しかし電荷移動錯体でしばしば起こるように、他の状態の電子もまたπ系分子軌道に働きかけることができる(n → π)。電磁遷移の選択律で許容される場合は電子のHOMOからLUMOへの遷移がしばしば起こる。共役二重結合が8本よりも少ない共役系は紫外領域しか吸収せず、人間の眼には無色に見える。二重結合が増えるにつれ、共役系は長波長(低エネルギー)の光子を吸収し、化合物は黄色から赤色を呈する。青色や緑色の化合物は通常共役二重結合のみには頼っていない。
紫外から可視スペクトルの光の吸収は、紫外・可視分光法によって定量することができ、光化学の全領域の基礎を形成している。
合成顔料および染料に広く使われている共役系は、ジアゾおよびアゾ化合物、フタロシアニン化合物である。
ヒュッケル則を満たす共役、平面、環式化合物は芳香族であり、並外れた安定性を示す。古典的な例であるベンゼンは、6個の電子が平面の環の上下に存在する系である。