Большая Советская энциклопедия - цветности теория

теория о связи Цвета химических соединений с их строением. Ощущение цвета возникает при воздействии на зрительный нерв электромагнитных излучений с энергией в пределах от 2,5․10^-12 до 5․10^-12 эрг (длины волн от 400 до 760 нм). При этом совместное действие электромагнитных излучений во всём указанном интервале (называется видимой частью спектра) вызывает ощущение белого света (См. Белый свет), а раздельное действие узких пучков излучений или совокупности излучений, оставшихся после изъятия (поглощения) некоторых из них,— окрашенного (см. табл.).

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Длина волны поглощённого | Поглощаемый цвет | Наблюдаемый цвет |

| света λ, нм  | | |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 400-—535 | Фиолетовый | Зеленовато-жёлтый  |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 435—480 | Синий | Жёлтый |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 480—490 | Зеленовато-синий | Оранжевый |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 490—500 | Сине-зелёный | Красный |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 500—560 | Зелёный | Пурпурный  |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 560—580 | Жёлто-зелёный | Фиолетовый |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 580—595 | Жёлтый | Синий |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 595—605 | Оранжевый | Зеленовато-синий |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 605—730 | Красный | Сине-зелёный |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 730—760 | Пурпурный  | Зелёный |

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Поглощение света веществом описывается Бугера Ламберта Бера законом. Окраску вещества обычно характеризуют длиной волны λмакс, при которой поглощение света максимально (см. также Поглощение света, Дополнительные цвета).

Смещение λмакс (при изменении строения молекулы соединения) в сторону длинных волн, сопровождающееся изменением окраски от жёлтой к красной и далее к синей и зелёной, называется углублением цвета, или батохромным эффектом; смещение λмакс в сторону коротких волн — повышением цвета, или гипсохромным эффектом. Поглощение света приводит к возбуждению электронов молекул, и, в частности, молекул окрашенного вещества в видимой области спектра (λ = 400—760 нм). Разность энергий основного и возбуждённого состояний определяет глубину окраски. Возбуждённое состояние молекул бесцветных веществ возникает при больших значениях энергий, чем в случае молекул окрашенных веществ. Из основных соотношения квантовой теории Е = hc/λ [E —- энергия кванта излучения, h — Планка постоянная (6,62․10^-27 эрг/сек), с — скорость света (3․10¹⁷ нм/сек)] следует, что энергию возбуждения молекул окрашенных веществ можно оценить в 35—70 ккал/моль.

Ц. т. возникла в связи с развитием химии синтетических органических красителей. Впервые зависимость между их строением и цветом исследовали К. Либерман и К. Гребе (1869). О. Витт предложил в 1876 т. н. хромофорную теорию, согласно которой за окраску органических соединений ответственны группы атомов, содержащие кратные связи, например —N=N—, —N=O. Эти группы были названы хромофорами (от греч. chroma — цвет и phorós —несущий). Р. Ниецкий и английский химик Г. Армстронг отметили (1888) исключительную роль хиноидных хромофоров. Значительное влияние на окраску органических веществ, согласно хромофорной теории, имели группы —ОН, —SH, NH2—, C6H5O— и др., названные ауксохромами (от греч. auxo — увеличиваю). В. А. Измаильский пришёл в 1915 к выводу, что истинное строение красителей описывается не классической структурной формулой, а отвечает некоторому промежуточному состоянию, названному позднее мезомерным. Для этого состояния характерна делокализация связей и зарядов атомов в молекуле (см. Мезомерия). Особенно легко такая делокализация происходит в молекулах, содержащих систему сопряжённых связей в сочетании с расположенными на её концах электронодонорными и электроноакцепторными группами (см. Органическая химия, Сопряжение связей). Это сочетание, характерное практически для всех типов красителей, обусловливает как лёгкость поляризации молекул (вследствие смещения π-электронов по цепи сопряжения), так и перехода молекул в возбуждённое состояние. Первое определяет интенсивность поглощения света, второе — глубину окраски вещества.

В соответствии с указанными положениями, чем длиннее цепь сопряжения в молекуле вещества, тем глубже его цвет. Так, даже в ряду углеводородов C6H5—(CH=CH) n—C6H5 λмакс возрастает от 306 нм (при n = 1) до 403 нм (при n = 5).

Молекулы соединений, цепь сопряжения которых завершается электронодонорными и электроноакцепторными группами, окрашены глубже. Так, в ряду веществ типа I λмакс меняется от 312 нм (n = 1) до 519 нм (n = 3).

Увеличение поляризуемости концевых групп приводит к дальнейшему углублению окраски; так, для красителей типа II λмакс изменяется от 450 нм (n = 0) до 760 нм (n = 3).

Анализ структуры заместителей и пространственных факторов позволяет предвидеть их влияние на окраску соединений. Например, нарушение плоскостного строения молекул азокрасителей типа IIa вследствие выведения (CH3)2N-группы из плоскости бензольного кольца объёмным заместителем R сопровождается гипсохромным эффектом: λмакс при переходе от R=Н к R=(CH3)2CH — смещается от 475 нм до 420 нм.

Пространственные затруднения в самой цепи сопряжения значительно изменяют характер поглощения. Так, если поворот одной части молекулы красителя относительно другой происходит по связи, близкой к простой (а в III), то наблюдается гипсохромный эффект, если поворот происходит по связи более высокого порядка (б в IV), то наблюдается батохромный эффект. Например, при замене R=Н на R=CH3 в III λмакс меняется от 528 нм до 467 нм, а в IV — от 521 нм до 542 нм.

Цвет красителей весьма чувствителен к введению в полиметиновую цепь полярных заместителей X, Y. Электронодонорные заместители в чётных положениях цепи сопряжения вызывают гипсохромный, электроноакцепторные — батохромный эффект. При введении тех же заместителей в нечётное положение происходит обращение эффекта. Например, для IVa при X = Y = Н λмакс = 558 нм, при Х = Н, Y = OCH3 λмакс = 495 нм; при Х = OCH3, Y = H λмакс= 586 нм. Большое изменение максимума поглощения наблюдается при образовании кольцевой системы.

Например, при переходе от V к VI λмакс меняется от 616 до 955 нм. Максимум поглощения соединений типа VII зависит ещё и от характера заместителя X. Например, при Х = HNС=O λмакс становятся равными соответственно 460, 550 и 650 нм.

Сов. химиком А. И. Киприановым в 1964 показано влияние на цветность красителей внутримолекулярного взаимодействия хромофоров. Например, бисцианин VIII характеризуется двумя λмакс (522 и 581 нм), сдвигающимися относительно λмакс исходных («материнских») красителей IX (562 нм) и Х (558 нм) соответственно в коротковолновую и длинноволновую части спектра.

Положение Ц. т. о связи окраски вещества с возбуждением электронов приложимо не только к органическим соединениям, содержащим протяжённые системы сопряжённых связей, но и к др. типам окрашенных веществ. Так, для неорганических соединений появление окраски может быть связано с наличием сильно выраженной деформации электронных орбиталей; при этом основную роль играет поляризация анионов, увеличение деформируемости которых должно благоприятствовать возникновению цветности. Окраску некоторых типов неорганических веществ связывают, кроме того, с наличием в их молекулах атомов с вакантными орбиталями. Предполагают, например, что окраска комплексных ионов (см. Комплексные соединения) обусловлена присутствием в них атомов элементов с незаполненными d- или f-орбиталями. Интенсивное поглощение света такими ионами связано с переносом электронов лигандов на вакантные орбитали центрального атома.

Для расчёта полос поглощения окрашенных химических соединений (исходя из их структурных формул) существуют квантовомеханические методы, которые во многих случаях дают результаты, совпадающие с экспериментом. Расчёты полос поглощения красителей, молекулы которых имеют сложное (особенно несимметричное) строение, пока трудно осуществимы.

Лит.: Бальхаузен К., Введение в теорию поля лигандов, пер. с англ., М., 1964; Дядюша Г. Г., Электронные спектры и строение симметричных органических соединений, «Украинский химический журнал», 1964, т. 30, № 9; его же, Влияние замыкания хромофора в симметричный цикл, там же, № 11; Chemical applications of spectroscopy, ed. W. West, N. Y., 1968; Теренин А. Н., Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений, Л., 1967; Венкатараман К., Химия синтетических красителей, пер. с англ., т 1—3 Л., 1956—74; Штерн Э., Тиммонс К., Электронная абсорбционная спектроскопия в органической химии, пер. с англ., М., 1974; Киприанов А. И., Введение в электронную теорию органических соединений, 2 изд., К., 1975.

Г. Г. Дядюша.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

1969—1978