染料与颜料-精细化学品化学

CH3 H3CHN
C Cl- NH+
CH3 NHCH3
金胺G
• 菁系染料(次甲基染料)
结构特征：含有一个或多个—CH=
CH3 CH3
C
HH
CC N
C C C N CH3
CH3
阳离子橙R
•酞菁染料
结构特征:酞菁金属络合物
C N
C
CN C
N N
Me
N
N
CNC
C N
C
酞菁 络合物
•杂环化合物
结构特征: 含有不同杂环的有机化合物.
当吸收光的能量与ΔE相等时，有机分子才会显示出颜色。ΔE 越大，所需吸收光的波长越短；反之，ΔE越小，所需吸收光 的波长越长。作为染料，它们的主要吸收波长应在400~760 nm 波段的可见光范围内。
• 价键理论认为有机共轭分子的结构，可以看作π 电子成对方式不同，能量基本相同的共轭结构， 其基态和激发态是不同电子结构共振体的杂化体， 共振体愈多，其杂化后的基态和激发态能级差愈 小，吸收光的波长愈长。所以在染料分子中，往 往增加双键、芳环来增加共轭结构，使染料的颜 色蓝移（深色效应）。
NN 黄色
NH2
O2N
NN
OH OH
H3C N
NaO3S 红色
H3C SO3Na
NN
NH2
红色
NN
OH OH
NaO3S 红光蓝色
SO3Na
（3）分子的平面结构与颜色的关系
• 当分子内共轭双键的全部组成原子在同一平面时， π电子的叠合程度最大，平面结构受到破坏，π电子
3.9×1014~4.7×1014 4.7×1014~5.2×1014 5.2×1014~6.1×1014 6.1×1014~6.7×1014 6.7×1014~7.5×1014
（二）光和色的关系
• 当物质受到光线照射时,一部分光线在物质的表面直接反射出来,同时 有一部分光透射进物质内部,光的能量部分被吸收。
• 光具有波粒二相性。光的微粒性是指光有量 子化的能量，这种能量是不连续的。不同频 率或波长的光有其最小的能量微粒，这种微 粒称为光量子，或称光子。光的波动性是指 光线有干涉、绕射、衍射和偏振等现象，具 有波长和频率。
• 光的波长λ和频率ν之间有如下关系式：
C
式中：ν为频率；λ为波长；C为光在真空中的传播速 度（2.998×108 m/s）。
• 在偶氮染料中，单偶氮染料大都为黄色、红色，少数为紫色、蓝色， 而双偶氮染料大多数由红色至蓝色，多偶氮染料的色泽可以加深到绿 色和黑色。
NN
COONa OH O2N
O2N 黄色
NH2 OH
NN
NN
NaO3S
SO3Na 蓝色
（2）取代基对颜色的影响
• 共轭系统中引入－NH2、－NR2、－OH、－OR等给电子基团时， 基团的孤对电子与共轭系统中的π电子相互作用，降低了分子激 化能，使颜色加深。吸电子基团如硝基、羰基、氰基等，对共 轭体系的诱导效应，可使染料分子的极性增加，从而使激发态 分子变得稳定，也可降低激化能而发生颜色蓝移。在染料分子 两端同时存在给电子和吸电子取代基时，颜色作用更明显。
颜色视觉有三个基本特征：色调、纯度和亮度。
二、染料的命名与分类
1.染料的命名:
冠称 + 色称 + 词尾
• 第一段为冠称，表示染料根据应用方法或性质而 分类的名称；
• 第二段为色称，表示染料色泽的名称； • 第三段为词尾，以拉丁字母表示染料的色光、形
态及特殊性能和用途等。
• 根据染料产品的应用和性质的分类，作为冠称即酸 性、中性、直接、分散、还原、活性、硫化等。
（3） 发色理论的量子化概念
• 根据量子力学，可以准确计算出物质分子中电 子云分布情况，定量地研究分子结构与发色的 关系，认为染料分子的颜色是基于染料分子吸 收光能后，分子内能发生变化而引起价电子跃 迁的结果。1927年提出了染料发色的价键理论 和分子轨道理论。
• 从原子结构理论可知，原子中的电子在一定的电子轨道上 运动，具有一定的运动状态，这些运动状态各有其相应的
2、 结构和颜色的关系
（1）共轭双键长度与颜色的关系
• 共轭双键的数目越多，π→π*跃迁所需的能量越低，选择吸收光的波长 移向长波方向，产生不同程度的深色效应。分子结构中萘环代替苯环 或偶氮基个数增加，颜色加深。共轭双键系统愈长颜色愈深。芳环越 多，共轭系统也越长；电子叠合轨道越多，越易激发；激化能降低， 颜色加深。
• 分子轨道理论认为，染料分子的m个原子轨道线性 组合，得到m个分子轨道，其中有成键、非键和反 键轨道。价电子按鲍利原理和能量最低原理在分子 轨道上由低向高排列，价电子已占有的能量最高成 键轨道称为HOMO轨道，价电子未占有的最低能量 空轨道称为LUMO轨道。染料吸收光量子后，电子 由HOMO跃迁到LUMO上，由于选择吸收不同波长 的光，而呈现不同的颜色。在共轭双键体系中，随 着共轭双键数目的增加，使HOMO和LUMO间的能 级差减小，ΔE减小，则λ红移，产生深色效应。
ONa NO2
NaO3S
NO2
黄色酸性染料
•靛族染料
O
结构特征：含有 ( C C C C ) 共轭基团
O
O
C C
N H
H N C C
O
靛蓝
• 硫化染料
结构特征：分子中含有—S—结构或多硫结构
H2N
S
Leabharlann Baidu
H3C
N
OO
S
NH3
S
N
CH3
O
硫化蓝BN
•芳甲烷类染料 结构特征：一个碳原子上连接几个芳基结构
I0
• 该式称为朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律。其中，ε为摩 尔吸收率或摩尔消光系数，它是溶质对某一单色光吸收强 度特性的衡量，是吸收光的物质的特征常数，仅与吸收光 物最λma质高x说的吸明性收染质时料和的基光波本的长颜波（色长λ。m有ax）关，。表ε的示最物大质值吸（收εm带ax的）特以性及值出现 。
(2).根据染料的应用分类
•酸性染料 •中性染料 •直接染料 •还原染料
•分散染料 •活性染料 •冰染染料 •硫化染料
•阳离子染料等
四、染料的发色
（一） 光的性质
• 光是一种电磁波。在一定波长（400~760 nm）和频率范 围内，它能引起人们的视觉，这部分光称为可见光。当 一束白光穿过狭缝，射到一个玻璃棱镜上，光发生折射， 色散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的光谱 带。太阳光线中，除了可见光外，还包括人的眼睛看不 见的、波长不同的一系列光线，靠近红色光线的部分称 为红外线，靠近紫色光线的部分称为紫外线。
• 中性艳黄3GL，“中性”为冠称，表示染料应用类别；“艳 黄”为色称，其中“艳”为色泽形容词；Ｇ表示黄光，3G表 示黄光程度，Ｌ表示耐光牢度较好。
• 直接耐晒蓝B2RL，“直接”为冠称，表示染料应用类别； “蓝”为色称；B表示蓝色，2R表示红光程度，Ｌ表示耐光 牢度较好。
• 活性艳蓝KN－R，KN代表新的高温型，即N表示新型。
三、染料的分类
(1).按染料的结构分类 •偶氮染料 •蒽醌染料 •硝基和亚硝基染料 •靛族染料 •硫化染料
•芳甲烷类染料 •菁系染料 •酞菁染料 •杂环类染料
•偶氮染料 结构特征：含有 —N=N— 基团
NaO3S
NN
OH
酸性橙
•蒽醌染料
结构特征：含有 O
O 基团或多环酮 。
O
OH
OH
O
茜素
•硝基和亚硝基染料 结构特征：含有硝基或亚硝基
第08章 染料与颜料
中国古代色彩技术
中国传统染料植物种类繁多
栀子
茜草
蓝草
红花
紫草
柞树
各种矿物颜料
雄黄
朱砂
赤铁矿
石青
石绿
中国五色图
黄
青
黑
白
赤
古希腊四色说
白色
红色
黄绿色
黑色
五色与五行、五方的关系图
北黑水
西
中
东
白 金
黄 土
青 木
南赤火
传统染色技术和色彩文化的主体 在先秦时期就已经形成。
西藏布画
第08章染料与颜料中国古代色彩技术中国古代色彩技术中国传统染料植物种类繁多中国传统染料植物种类繁多栀子茜草红花紫草柞树各种矿物颜料各种矿物颜料朱砂雄黄赤铁矿石绿石青中国五色图中国五色图古希腊四色说古希腊四色说白色红色黄绿色黑色五色与五行五方的关系图传统染色技术和色彩文化的主体传统染色技术和色彩文化的主体在先秦时期就已经形成
• 光谱色和补色之间的关系可 用颜色环的形式来描述，如 图所示。每块扇形与其对顶 扇形的光波为互补色。例如 435~480 nm波段的光波呈蓝 色，它的补色是580~595 nm 波段的黄色。由此可见，染 料的颜色是它们所吸收的光 波颜色（光谱色）的补色， 是它们对光的吸收特性在人 眼视觉上产生的反映。染料 分子的颜色和结构的关系， 实质上就是染料分子对光的 吸收特性和它们的结构之间 的关系。
（1） 发色团学说
• 德国人维特（O.N.Witt）的发色团和助色团学说认
为：有机化合物的颜色是双键引起的，这些双键基团
称作发色团，含发色团的分子称发色体。发色团
如： CH CH 、
、
O
N
O 、N
O 、N
N
O
• 和 CH N 等。
• 增加共轭双键则颜色加深，羰基增加颜色也加深；当 引入另外一些基团时，也使发色体颜色加深，这些基 团称为助色团，如氨基、羟基和它们的取代基、卤代
• 染料的理想溶液对单色光的吸收强度和溶液浓 度、液层厚度间的关系服从朗伯特-比尔 （Lambert-Beer）定律。光的吸收一般用透光
率来表示，记作Ｔ，定义为入射光强度I0与出
射光强度I之比：
T I I0
如果溶液的浓度为c (mol/L)，光线通过溶液时通
道长度为l (cm)，则有：
lg T lg I lc
基等。例如： O
O
NH2
O OH
O
浅黄色
O
红色
O OH
红色
• 发色团学说对于许多染料如：偶氮、蒽 醌、硝基和亚硝基染料的发色性质、结 构和颜色的关系都能较好的加以解释， 至今仍被沿用着。
（2） 醌构理论
• 醌构理论是英国人阿姆斯特朗（Armstrong） 于1888年提出的，认为分子中由于醌构的 存在而产生颜色。如对苯醌是有色的，在 解释芳甲烷染料和醌亚胺染料的颜色时， 得到应用。
• 最黄大 、吸 橙收 、波 红长 称浅λma色x的；增绿长、或青减、短蓝，称染深料色的。色所调以就染改料变最。大一吸般 收波长增大，色调就加深；反之染料最大吸收波长减短， 色调就变浅。
（三）染料的结构和颜色的关系
1 、染料的发色理论概述 • 染料的颜色和染料分子结构有关。早期的
染料发色理论主要有：发色团和助色团学 说，醌构理论，染料发色的价键理论和分 子轨道理论。从早期的学说反映有机化合 物的颜色和分子结构外在关系的某些经验 规律，发展到物质结构内部能级跃迁所需 能量的微观内在规律。
蜡染
8.1 染料概述
一、基本概念
1. 染料的概念：能使其他物质获得鲜明而牢固色 泽的一类物质。有颜色且可以在纤维上染色。
2.颜色的概念：人们对物体物理性质的一种感觉， 这种感觉的产生是由于物体选择反射可见光， 被反射的各单色光以不同比例和不同强度射入 眼，刺激了感色细胞，其分光刺激强度以脉冲 信号传送给大脑所产生的一种综合反映。
• 将太阳光照射染料溶液，不同颜色的染料对不同波长的光波发生不同 强度的吸收。
• 黄色染料溶液所吸收的主要是蓝色光波，透过的光呈黄色。 • 紫红色染料溶液所吸收的主要是绿色光波， • 青（蓝－绿）色染料溶液主要吸收的是红色光波。 • 如果把上述各染料吸收的光波和透过的光分别叠加在一起，便又得到
白光。 • 这种将两束光线相加可成白光的颜色关系称为补色关系。 • 黄色和蓝色、紫红色和绿色、青（蓝－绿）色和红色等各互为补色。
• 词尾中表示色光及性能的字母如下：Ｂ－蓝色，Ｃ－耐氯， Ｄ－稍暗，Ｆ－亮，Ｇ－黄光或绿光，Ｉ－还原染料坚牢度， Ｋ－冷染，Ｌ－耐光牢度较好，Ｍ－混，Ｎ－新型，Ｐ－适 用于印花，Ｒ－红光，Ｔ－深，Ｘ－高浓度。
• 还原蓝BC，“还原”为冠称，表示染料应用类别；“蓝”为 色称；“BC”为词尾，B表示蓝色，表示色光，C表示耐氯漂， 表示性能。
能量，包括电子能量(Ｅe)、振动能量(Ｅv)和转动能量(Ｅr)。
它们的变化都是量子化的、阶梯式的、不连续的。这种能 量的高低叫能级。通常分子总处在最低能量状态，这种能 量状态叫基态。分子吸收一定波长的光后，激发至较高的 能态，叫激发态。激发态与基态的能级差为ΔE，与吸收光 的波长之间的关系为：
E h h C
• 色称采用30个色泽名称：金黄、嫩黄、深黄、橙、 大红、红、桃红、玫瑰、品红、红紫、枣红、紫、 翠蓝、湖蓝、艳蓝、蓝、深蓝、艳绿、绿、深绿、 黄棕、红棕、棕、深棕、橄榄、橄榄绿、草绿、灰、 黑等。
• 色泽的形容词采用“嫩”、“艳”、“深”三个字。
• 词尾采用Ｂ、Ｇ、Ｒ三个字母标志色泽。Ｂ为蓝，Ｇ为黄， Ｒ为红。
在光化学反应中，光是以光量子为单位被吸收的。一 个光量子的能量表示为：
E h h C
式中，h为普朗克（Planck）常数（6.62×10-34 J·s）。
由上式可以计算出各种不同频率光波的能量。
可见光不同光谱区域的波长和频率
光谱区域
波 长/ nm
频 率/ s-1
红 橙、黄
绿 青、蓝
紫
770~640 640~580 580~495 495~440 440~400