О зависимости между строением и окраской органических соединений

Изучая органические соединения, мы указывали, что одни из них являются бесцветными, т. е. неокрашенными, а другие — окрашенными. В чем же причина того, что одни вещества окрашены, а другие нет?

Этот вопрос давно интересовал ученых. Нетрудно догадаться, что разница в окраске различных органических соединений зависит, по-видимому, от особенностей их строения. Однако чтобы точно установить, какие именно факторы строения органических веществ влияют на их окраску, пришлось затратить очень много труда.

Мы не будем здесь перечислять все многочисленные гипотезы и теории, с помощью которых пытались установить зависимость между строением и окоаской органических соединений: Познакомимся лишь в самых общих чертах

с основными понятиями современной теории, объясняющей взаимосвязь между строением и окраской органических веществ. Для этого сначала вспомним некоторые основные физические представления о природе цветности.

Цвет окружающих нас предметов, в том числе и химических веществ, является результатом избирательного поглощения определенных участков в непрерывном спектре падающего на предмет белого цвета. Когда на предмет падает луч белого света, то часть лучей видимого спектра поглощается этим предметом, а часть лучей им отражается. Эти отраженные лучи и будут определять цвет тела. Например, если данный предмет поглотит из видимого спектра (падающего луча белого света) желтые лучи, то отраженные луча создадут впечатление, что предмет окрашен в синий цвет. Почему? Потому что поглощенные и отраженные лучи дополняют друг друга в белом свете — они называются дополнительными цветами. До полнительные цвета, дающие в сумме белый цвет, изображены на рис. 24, на котором они расположены друг против друга по диаметру. Если тело поглощает все лучи (всех длин волн видимого спектра), то оно кажется нам черным; если же, наоборот, оно отражает все падающие на него лучи, то оно будет казаться нам белым.

Рис. 24. Дополнительные цвета спектра.

Таким образом, мы установили, что цвет (окраска) тела зависит от избирательного поглощения им части лучей. видимого спектра из падающего на него белого света. Возникает вопрос: почему же разные вещества поглощают различные части видимого спектра?

Как известно из физики, монохроматический (одноцветный) луч света представляет собой поток так называемых фотонов — отдельных порций (квантов) энергии, причем энергия фотона обратно пропорциональна длине волны светового потока. Таким образом, чем больше длина волиьг светового потока, тем меньше энергия кванта. Поэтому по мере перехода от фиолетового к красному цвету видимого спектра энергия квантов уменьшается, а длина волн светового потока увеличивается.

Различные вещества способны поглощать лишь фотоны со строго определенной энергией, что объясняется специфическими особенностями атомов и молекул каждого отдельного вещества. Следовательно, в зависимости от энергии фотонов, поглощаемых данным веществом из светового потока белого света, оно будет окрашено в соответствующий цвет.

Далее встает вопрос: какие факторы строения огранических веществ влияют на способность их молекул поглощать кванты света различной величины и таким образом приобретать ту или иную окраску?

Ответ на этот вопрос дают представления об особенностях, электронного строения различных органических веществ.

При поглощении кванта, света молекула вещества переходит в возбужденное состояние, при котором валентные электроны переходят на более высокий энергетический уровень. В силу особенностей своего расположения наиболее подвижны электроны -связей. Поэтому для перевода электронов -связей на более высокий энергетический уровень требуются кванты света значительно меньшей величины, чем для электронов -связей.

Мы уже знаем, что особенно подвижны -электроны в молекулах органических соединений, имеющих сопряженные двойные связи. Чем длиннее цепь сопряженных двойных связей, тем более подвижны -электроны, тем меньшие кванты световой энергии требуются для перевода молекулы в возбужденное состояние.

Если в молекуле органического соединения по концам цепочки сопряженных двойных связей стоят электронодонорные заместители, например и др., имеющие неподеленные легкоподвижные пары электронов, не участвующие в образований связей с другими атомами и могущие вступить во взаимодействие с -электронами сопряженных двойных связей то в молекуле такого соединения электронная плотность смещена вдоль всей цепи. Электроноакцепторные группы и др., стоящие по концам цепи сопряженных двойных связей, оттягивают на себя -электроны и, таким образом, также усиливают смещение электронной плотности.

При действии света на молекулы, в которых уже имеется смещение электронной плотности, значительно Облегчается переход в возбужденное состояние. При этом происходит усиление интенсивности поглощения квантов света, что приводит к усилению интенсивности окраски соединения. Интенсивная окраска и является характерным признаком органических красителей.

Ненасыщенные группы (в том числе цепочки сопряженных двойных связей), которые при введении в органическое соединение придают ему окраску, называются хромофорами (от греч. «хромое» — цвет и «форео» — ношу); электронодонорные и электроиоакцепторные группы, увеличивающие интенсивность. поглощения квантов света, называются ауксохромами (от греч. «ауксо» — увеличиваю) или ауксохромными группами.

Ауксохромные группы сильно влияют также на ионизацию молекул органических соединений.

Зависимость окраски органических соединений от их строения можно хорошо наблюдать на примере так называемых полиметиновых красителей. Так, например, краситель тиакарбопианин имеет максимум поглощения в спиртовом растворе при 558 нм:

При удлинении цепи сопряженных связей тиакарбоцианина на одну виниленовую группу можно получить новый полнметиновый краситель — тиадикарбоцианин:

В этом красителе цепь сопряжения длиннее, чем в тиакарбоцианине, а следовательно, подвижность электронов -связей больше и для перевода молекулы в возбужденное состояние требуются меньшие кванты света. Поэтому тиадикарбоцианин должен поглощать более длинные волны светового потока! Действительно, максимум поглощения тиадиакарбоцианина лежит уже при 650 нм. Таким Образом, при удлинении цепи сопряженных связей красителя произошел сдвиг максимума его поглощения в длинноволновую часть спектра, или, как говорят, произошло углубление окраски красителя. Обратный процесс носит название повышения окраски.

На окраску органических соединений влияют и другие особенности их строения, на которых мы здесь не будем останавливаться,