کروموفور چیست ؟ + شیمی رنگ ها

کروموفور چیست ؟

اینکه در رنگرزی نساجی بعضی رنگ‌ها سبز و بعضی زرد و قرمز هستند بخاطر وجود کروموفورهای مختلف در ساختار شیمیایی آن است. کروموفور (به انگلیسی: Chromophore) بخشی از ملکول است که باعث بروز رنگ در آن می‌شود. رنگی دیده شدن زمانی اتفاق می‌افتد، که ماده طول موج مشخصی از نور مرئی را جذب کرده و مابقی را عبور داده یا بازتاب کند. کروموفور در واقع ناحیه‌ای از مولکول است که در آن اختلاف تراز انرژی دو اوربیتال ملکولی در محدودهٔ انرژی طیف مرئی قرار می‌گیرد. نور در اثر برخورد به مولکول می‌تواند توسط الکترون جذب شده و باعث برانگیختگی آن از حالت پایه به حالت برانگیخته شود.

۱-اصول شیمی رنگ
۱.۱ مبنای رنگ:
بر خلاف بیشتر ترکیبات آلی مواد رنگزا به دلایل زیر رنگی هستند:
۱)جذب نور در طیف مریی(۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر)
۲)داشتن دست کم یک کروموفور (گروه جاذب رنگ)
۳)داشتن یک سیستم مزدوج (کانجوکیت-پیوندهای دوگانه یک در میان)
۴)و نمایش دادن رزونانس الکترون ها
که یک موازنه نیرو در ترکیب آلی است.( Abrahart 1977)
هرگاه هر یک از این ویژگی ها در ساختار ملکولی نباشد رنگ از بین می رود. همچنین علاوه بر کروموفور ها،بیشتر موادرنگی شامل گروه هایی به نام آکسوکروم ها (رنگ یار) هستند. مثال های آن، کربوکسیلیک اسید،سولفونیک اسید،آمینو و گروه هیدروکسیل می باشند. اگرچه این ها مسئول ایجاد رنگ نیستند، اما می توانند رنگ ماده رنگی را تغییر دهند و بیشتر به دلیل تاثیر آن ها بر انحلال پذیری مواد رنگی استفاده می شوند.

بقیه ی عوامل شرکت کننده در رنگ در شکل ۲ و ۴ نشان داده شده است.

با توجه به نیاز کروموفور مولد رنگ در ترکیبات آلی، مهم است که توجه داشته باشید کروموفور باید بخشی از سیستم مزدوج (کانجوکیت) (پیوندهای دوگانه یک در میان) باشد.که این در شکل ۵ نشان داده شده است.

در این مثال میتوانید جای گیری گروه آزو را بین گروه های متیل که یک ترکیب بی رنگ ایجاد می کند را ببینید. اما هنگامی که گروه آزو بین حلقه های آروماتیک قرار بگیرد یک رنگ زرد- نارنجی به دست می آید. در مورد مشابه دیگر، ساختار ها در شکل ۳ اهمیت سیستم طولانی مزدوج (کانجوکیت) را نشان می دهد. آشکار است که وقتی از ویتامین آ تا بتاکاروتن طول سیستم مزدوج (کاجوکیت) دو برابر میشود باعث انتقال برجسته ی اثر باتوکرومیک و در نتیجه تیره تر شدن رنگ می گردد.

برای افزایش انحلال پذیری حلقه ی اصلی، آکسوکروم با توجه به رنگ هدف تعویض می شود. که در شکل ۶ نشان داده شده است.

*اضافه کردن گروه هایی که الکترون دهنده گی را به ساختار آزوبنزن افزایش میدهند یک اثر باتاکرومیک دارند.(OH در برابر NH2)

* قرار گرفتن گروه های الکترون دهنده(NH2) و الکترون گیرنده(NO2) در سیستم مزدوج(کانجوکیت) یک اثر باتوکرومیک ایجاد می کند. در این حالت گروه های نیترو به ویژه سودمند هستند، زیرا در پخش شدن بهتر در ساختار مواد رنگزای دیسپرس کمک می کنند.

*افزایش تعداد گروه های الکترون گیرنده کانجوگه شده با گروه های الکترون دهنده اثر باتوکرومیک دارد.

*اثر الکترون دهندگی یک گروه آمینو را به وسیله ی افزودن گروه های آلکیل به اتم نیتروژن بالا می برند.

۱.۲. مواد رنگزا در برابر رنگدانه ها:

با توجه به انحلال پذیری، رنگ های آلی در دو دسته قرار میگیرند: مواد رنگزا و رنگدانه ها(Allen 1971). کلید تمیز دادن آنها انحلال پذیری مواد رنگزا در آب و/یا یک حلال آلی می باشد، در حالیکه رنگدانه ها در هر دو دسته از مایع نامحلول اند.
مواد رنگزا لایه ی زیرین را رنگ می کنند و در مواردی استفاده می شوند که کالا تمایل به جذب دارد. رنگدانه ها برای رنگ کردن مواد پلیمیری استفاده می شوند اما با مکانیسمی کاملآ متفاوت نسبت به مواد رنگزا، در این حالت فقط سطح جسم رنگ می شود مگر آن که رنگدانه با پلیمیر قبل از ریسندگی یا قالب ریزی مخلوط شود.

۱. ملاحضاتی در ساخت مواد رنگ زا:

۲.۱. تمایل مواد رنگ زا به رنگ کردن لایه ی زیرین:
مواد رنگ زا یک یا چند گروه آزو در خود دارند (رنگ دانه های آزو) که شامل خانواده های بسیار بزرگی از مواد رنگ زای آلی می شوند.گونه های برجسته عبارت اند از :
۱. رنگ زا های اسیدی برای پلی آمید و اجزای پروتیینی مثل نایلون، پشم و ابریشم
۲. رنگ زا های دیسپرس برای اجزای آب گریز مثل پلی استر و استات
۳. رنگ زا های مستقیم وفعال برای اجزای سلولزی مثل پنبه ،ریون(ابریشم مصنوعی) ،کتان و کاغذ
به طور کلی، سنتز مواد رنگ زا شامل دو مرحله است:
مرحله اول: تبدیل یک آمین آروماتیک به ترکیب دی آزو،(i.e. Ar-NH2 → Ar-N2+) این فرایند با نام diazotization شناخته می شود و مرحله دوم: واکنش یک ترکیب دی آزو با یک فنل، نفتل، آمین آروماتیک یا یک ترکیب که گروه متیلن فعال دارد تا رنگ زای آزوی مورد نظر را تولید کند ، که این فرایند به عنوان جفت کردن دی آزو شناخته میشود (e.g. Ar-N2+ + Ar’-OH→ Ar-N=N-Ar’-OH). این فرایند برای تشکیل دادن هم رنگدانه و هم رنگ زای آزو مناسب است. ساختارهای نوعی رنگ زا ها در دو گروه تقسیم بندی می شوند که در شکل ۷ نشان داده شده است.

از آنجایی که اثر بخشی فرایند رنگ کردن یا پرینتینگ معمولا به پیوستگی بین مواد رنگ زا و جز مورد عمل وابسته است ، مواد رنگ زا با توجه به جز مورد عمل مخصوص در نظر گرفته می شوند. با توجه به مطالب، مواد رنگ زا باید به گونه ای ساخته شوند که
الف) پیوستگی زیاد برای جز مورد عمل نسبت به واسطه (معمولا آب) که کاربردی باشد و ب)درجه بالایی از پایداری تحت شرایط کاربرد (برای مثال پایداری در برابر کم رنگ شدن در مقابل آب ( رطوبت سریع) و یا نور خورشید(روشنایی سریع) در ادامه خلاصه ای از انواع ملاحظات پیوسته با تولید مواد رنگ زا برای اجزای پلیمری( به ویژه پایه فیبر) آورده می شود . قابلیت استفاده ی رنگ زا ها برای یک نوع جز خاص نتیجه ی یک فرایند عمدی ساختار ملکولی است که جز مورد عمل و کاربرد را مورد توجه قرار می دهد.
2.1.1: مواد رنگ زا برای پلی استر
رنگ زا ها ایجاد می شوند برای پلی استر های شناخته شده به عنوان رنگ زای دیسپرس.در این مورد ، مکانیسم رنگرزی شامل (حل کردن) رنگ زا در ماتریکس پلیمری برای ایجاد یک محلول جامد – جامد می شود . با استفاده از مزایای این اصل شناخته شده که (هم نوع ، هم نوع را در خود حل می کند) رنگ زا های دیسپرس به گونه ای طراحی می شوند که در طبیعت آب گریز باشند . مانند رنگ هایی که انحلال پدیری بسیار کمی در آب دارند و اسم آنها از این حقیقت که دیسپرس(پخش شوندگی) آنها سریع تر از حل شدن در آب عمل رنگ زایی را انجام دهد ناشی می شود. یک مثال C.I. Disperse Blue 165 است(شکل7) . رنگ زا های دیسپرس به پلیمر های آب دوست تمایلی ندارند مثل سلولز که باعث می شود این رنگ زا ها را برای رنگ کردن پشم ، سلوفان و کاغذ نامناسب باشد اما برای پلی اتیلن ترفتالات و سلولز استات کاملا مناسب است.
2.1.2: رنگ زا ها برا پلی آمیدها و پروتیین ها
رنگ زا ها برای این اجزا معمولا با ماتریکس پلیمر پیوند های یونی(شکل8) تشکیل می دهند. در این حالت، رنگ زا هایی که یک بار منفی( آنیون) تولید می کنند استفاده می شود زیرا پلی آمید ها مثل نایلون و پروتیین ها مثل پشم ، ابریشم و چرم یک بار مثبت (کاتیون) حمل می کنند به ویژه در طی فرایند رنگ آمیزی .رنگ زا های آنیونی برای پلی آمید و پروتیین اجزایی هستند که به عنوان رنگ زا های اسیدی شناخته می شوند . یک مثال C.I .Acid Black 1 است (شکل9) . نام رنگ زا ها از این حقیقت ناشی می شود که آنها معمولا برای موادی استفاده می شوند که در حد متوسط اسیدی هستند . این رنگ زا ها مقدار کم یا هیچ پیوستگی با پلی استر ، سلولز یا پلیمر های کاتیونی ندارند چون که چنین اجزا یی نمی توانند با آنها پیوند یونی بدهند.

2.1.3: رنگ زا ها برای پلیمر های کاتیونی
رنگ زا ها برای این مواد نیز با ماتریکس پلیمر پیوند های یونی تشکیل می دهند . در این حالت، رنگ زا هایی که یک بار مثبت (کاتیون) تولید می کنند استفاده می شوند زیرا پلیمر ها مثل پلی آکریلونیتریل یک بار منفی(آنیون) حمل می کنند و خاصیت یونی جز مورد عمل را بر خلاف آنچه که در بالا برای رنگ زاهای اسیدی توضیح دادیم می کند. رنگزا های کاتیونی برای مواد آکریلیک اول به عنوان رنگزا های پایه شناخته شده بودند. یک مثال Basic red 18 است(شکل 9). امروزه نام آن ها از این حقیقت که آنها دارای یک گروه کاتیونی می باشند ، ناشی می شود. این رنگ زا ها به پلی استر، سلولز یا پلیمر های پلی آمید تمایلی ندارند چون این مواد نمی توانند با آنها پیوند یونی برقرار کنند. اگرچه رنگ زا های کاتیونی می توانند برای رنگ کردن فیبر های پروتیینی استفاده شوند و در حقیقت اولین رنگ سینتیکی )ترکیبی) mauveine بود که یک رنگ پایه بود و برای رنگ کردن ابریشم استفاده میشد . این برتری جستن از حضور گروه های کربوکسیلات (-co2-) در ابریشم و پشم است.
2.1.4: رنگ زا ها برای پلیمر های سلولزی
مواد سلولزی شامل نخ ، ریون ، سلوفان ، کتان ، کاغذ و تمام چیزهایی که به شدت آب دوست است ، می باشد. بنابراین برای رنگ کردن آن ها در یک حمام رنگ به رنگ زا های آب دوست (انحلال پذیر در آب) نیاز است. علاوه بر این رنگ زا ها باید طوری طراحی شوند که با مواد پیوستگی برقرار کنند زمانی که در معرض آب قرار دارند. این ویژگی اجازه می دهد رنگ روی مواد باقی بماند برای مثال یک پارچه ی نخی که شسته شود یا یک فنجان قهوه که غیر عمدی روی اطلاعات چاپ شده روی کاغذ بریزد . نفود در مواد سلولزی مثل نخی که در طی شستشو متورم و کم رنگ شده آسان است.طراحی و توسعه خانواده های رنگی برای الیاف سلولزی نسبت به هر ماده ی دیگری بیشتراست. رنگزا های طراحی شده برای پلیمر های سلولزی، رنگزا های مستقیم ،آزویی ، خمره ای ، سولفور و واکنشی هستند. رنگ های مستقیم بسیار به نام هستند زیرا آنها اولین رنگ هایی بودند که برای اینکه به پارچه تمایل داشته باشند ، به حضور اجباری عاملی شناخته شده به عنوان تثبیت کننده نداشته اند.زیرا این رنگزا ها انحلال پذیر در آب هستند ، تعدادی از آنها سرعت کمی در از دست دادن رطوبت دارند.شکل 10 دو خاصیت کلیدی رنگزا های مستقیم با پایه بنزنی را شرح می دهد . یعنی
1)به ملکول های خطی گرایش دارند.
2)آن ها قادرند در مجاورت زنجیر سلولزی قرار گیرند ، بیشترین تاثیر متقابل بین ملکولی را پیوند هیدروزنی دارد.

علت رنگی بودن ترکیبات آلی چیست؟ اکسوکروم چیست ؟

در طبیعت و زندگی روزانه همگی مشاهده میکنیم که ترکیبات رنگی زیادی وجود دارند که امروز میخوام در مورد علت رنگی بودن ترکیبات صحبت کنم.
قبل ها در درس شیمی دبیرستان مطالعه کردیم که علت رنگی دیده شدن ترکیبات بعلت انتقالات الکترون بین لایه های الکترونی برانگیخته است که در حال برگشتن به تراز انرژی اولیه از خودشون طیفی آزاد میکنند که تو ناحیه مرئی باعث دیده شدن رنگ میشود. ولی علت اصلی رنگ ترکیبات اینه؟
گفته میشه که عامل اصلی رنگی دیده شدن یک ترکیب جذب نور اون ترکیب هست . برای مثال ما وقتی به جسمی نور سفید از ناحیه مرئی رو میتابونیم اون جسم با توجه به ساختارش یه سری رو جذب و باقی رو بازتاب میدهد که به چشم ما میرسه و ما ترکیب رو رنگی میبینیم. در علم شیمی اختلاطی که بین نورها هست، باعث دیده شدن رنگ ترکیبی از نورها میشود. برای مثال اگر ما نور سفیدی رو به جسمی بتابونیم و اون جسم دو طول موج قرمز و آبی رو بازتاب بدهد ، ترکیب این دو نور باهم باعث میشه گیرنده مخروطی شکل چشم ما اون جسم یا ترکیب را به رنگ بنفش(MAGENTA ) مشاهده بکند. ولی بازهم این موضوع علت اصلی این جذب و رنگی دیده شدن ترکیبات نیست.
علت اصلی ساختار یک ترکیب هست.
یعنی چی؟
در شیمی ترکیبات آلی ما دارای گروه هایی هستیم که میتوانند الکترون را به سمت خودشون بکشند یا از خودشون دور کنند به اصطلاح گروه های عاملی الکترون کشنده و الکترون گیرنده داریم مثل گروه های هیدروکسیدی یا نیترو و ..
گروه های الکترون کشنده در علم فناوری رنگ به گروه (کروموفور)و گروه الکترون دهنده تحت عنوان ( اکسوکروم Auxochrome ) شناخته میشوند که کروموفور ها مسئول ایجاد کردن رنگ تو ترکیب هستند و اکسوکروم ها وظیفه تقویت اون رنگ رو به عهده دارند. کاربرد دیگه ای که اکسو کروم ها به عهده دارن اینه که باعث اتصال رنگینه به الیاف میشوند.
اوایل نظریه ویت- میتشل بیان شد تحت عنوان اینک علت اصلی ایجاد ترکیبات رنگی ، پیوند دوگانه میان اتم ها هست که بعدها این نظریه رد شد به این علت که دانشمندان مشاهده کردن که ترکیبات غیر رنگی با پیوند دوگانه وجود دارند پس این نظریه حذف شد. بعدها نظریه دیلدی – ویتزینگر بیان شد که بر اساس همان کروموفور و اکسوکروم بیان شد که نسبت به نظریه ویت محدوده گسترده تری رو پوشش میداد.
نظریه بعدی توسط ARMSTRONG در سال 1888 بیان شد که براساس موقعیت قرار گیری گروه ها بیان شد (موقعیت کینونوئیدی) که صرفا برای (C=C)وکربونیل ( O=C )صدق میکرد. که بازهم استثنائاتی مشاهده شد که باعث شد این نظریه هم جامع تمام ترکیبات رنگی نباشد.
در نظریه تئوری مدرن نوع هیبریداسیون اتم ها در ساختار بررسی میشود. در صورتی که یک ترکیب آرایش مسطح SP2 یا SP نداشته باشه ، رنگی بودن ازش انتظار نمیرود. ساختاری مدنظر برای این نوع هیبریداسیون مثلث مسطح هست. تا اینجا این نظریه نسبتا جامع تر بوده و تونسته علت رنگی بودن اکثر ترکیبات رو توجیح بکند. امیدوارم از مطالعه این مطلب لذت برده باشید.

منبع