第三章 染料的颜色和结构
《生物实验技术》第三章 染色、染料与染色剂
第三章
第三节 染色剂的配方与应用
一、细胞核染料与配方
例：
1. 硼砂洋红（Grenacher's）（葛莱那息尔氏）
洋红
2g
4%硼砂水溶液 100ml
70% 酒精 100ml
• 切片（染5－10min） • 一般动植物（如原生动物，腔肠
动物，扁型动物等）的整体染色
• 昆虫、寄生虫染色
2. 醋酸洋红液（Schneider's） （施尼得氏）
洋红 4~5g 冰醋酸 45ml 蒸馏水 55ml
• 适合于新鲜细胞学材料快速观察，速 染新鲜细胞的染色体。
如：无脊椎动物的精巢、卵细胞、 上皮组织等的中心体和染色体；
植物的根尖细胞及花药等
日 本 小 帘 蛤 肠 道 内 涡 虫
图示洋红染色
洋红染轮虫 醋酸洋红染阔叶葱花粉囊分裂细胞
第三章
第三节 染色剂的配方与应用
显示DNA（Feulgen反应）和多糖类（PAS 反应） 。 缺点是容易褪色。
第三章
第三节 染色剂的配方与应用
一、细胞核染料与配方
6.甲基绿（甲烷绿、甲绿）Methyl green
常用以染染色体。与吡罗红Pyronin（又叫派若宁、焦 宁）合用显示DNA、RNA。
7. 美兰（亚甲兰、次甲基兰、甲烯兰）
（2）吸收作用（absorption）（溶液学说 ）
组织吸收染料作牢固的结合，染料均匀地分布于组织中，叫吸 收。组织的着色与溶液的颜色相同。如：品红
（3）吸附作用（adsorption）
吸附作用是固体物质的特性，它能从周围溶液中吸住一些细小 的物质微粒，吸附作用只发生在两相界面上。可解释鉴别染色
（4）沉淀作用
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染料化学1-new
染料化学第一节．染料概述染料是使纤维或其他基质染成鲜明而坚牢色泽的有机化和物。
作为染料除了具有鲜明的色泽外，还须能溶于水或借助于化学方法使之溶于水及制成分散液，在染色时舍染液而上染纤维，上染后具有一定的坚牢度，即在后加工或服用过程中保持不褪色。
有一部分有色物质（包括有机物和无机物），不溶于水和一般有机溶剂，但也能上染纤维，他们往往借助于某些高分子物（粘合剂）将悬浮状态的颜料细小颗粒粘在纤维表面，这种有色物质称为颜料，颜料主要用于油漆、油墨、橡胶、塑料以及合成纤维原液着色。
染料一般具有以下特点：①.有鲜艳的色泽②.能溶于水或通过其他化学方法能够均匀的分散在染色介质中。
②.与纤维有一定的亲和力，可以舍染液而上染纤维。
④.有一定牢度，在织物服用过程中不掉色，不退色。
第二节．发色理论1．光与色光是一种客观存在的电磁波，色是一种人脑主观的反映。
只有光入射的眼睛里面，大脑才能产生颜色的概念。
可见光的波长范围大约为400nm~760nm，从波长760nm~400nm的光依次就是红成黄绿蓝靛紫。
物体之所以有颜色，是因为它对可见光的某一或某一段波长发生了选择性吸收，反射或透射出来的就是剩余色光的复合光，表现为其吸收光的补色。
关于补色可以用一个色环来表示，每种光的对角就是它的补光。
2.色彩的属性色彩具有三个属性：①色相（Hue），表示色的特质，是区别色彩的必要名称，例如红色，蓝色等。
它与色彩的强弱，明暗没有关系，只是纯粹表示色的相貌差异。
其本质是光的某一段波长。
②明度（Value），表示色彩的强度，即色光的明暗度。
不同的色光，反射的光亮强弱不一，因而产生不同程度的明暗。
其本质是光波的波幅大小。
③彩度（Chroma），表示色的纯度，即色的饱和度，具体来说就是色光汇总含有白或黑的成分多少。
3．拼色日常生活中见到的大多是复合光，在印染加工中一般也要用两种或以上的染料拼混配色，以获得规定的色泽，颜色的混合有三种方法：加法、减法和平均法。
染料的结构与颜色
(CH3)2N
H
N(CH3)2
C
孔雀绿隐色体（无色）
2019年9月18日
二、量子理论 1、光的量子理论 光是电磁波，具有波动性和微粒性（波粒两象性）。 光是由无数个具有不同能量的光量子组成的，光量子的
一、发色团和助色团理论 1、发色团 有色物质有颜色的原因是其分子结构中带有一些不饱和
基团。这些基团称为发色团。如：-N=N-、＞C=C＜、 -N=O、-NO2、＞C=O等。 有机物质要有颜色，发色团必须连在足够长的共轭体系 上，或者有几个发色团连成共轭体系。
含有发色团的分子共轭体系称为发色体。
λ max
λ
2019年9月18日
吸 收 带 ： 有 机 有 ε
色 物 质 对 光 的 吸 εmax
收有一宽的区域，
形成一个吸收峰，
称为吸收谱带，
简称吸收带。
λmax
λ
第一吸收带：波长最长的吸收带。
2019年9月18日
最大吸收波长：每一吸收 ε 带都有一个与最高摩尔吸 εmax
光度ε对应的波长，称为
浓
淡
2019年9月18λ日
Logε
3、颜色的鲜艳度： 在吸收光谱上，吸收峰既高又窄，说明物质分子对可见
光吸收的选择性很强，较完全地吸收了某一种波长的光， 而对其他光涉及不多，其补色显得非常明亮、纯正，鲜 艳度比较高。
logε
鲜艳
半高宽
h
不鲜艳
1/2h
λ
2019年9月18日
§2 有机化合物的发色理论
2019年9月18日
605nm
700 nm
物体的颜色就是物
染料的颜色与结构及功能染料简介解读
第 1 章染料的颜色与结构及功能染料简介学习目标 :①以量子概念，，分子激发理论阐述染料对光的选择吸收的原因。
②掌握染料颜色与染料分子结构的关系以及外界因素的影响。
③理解功能染料的概念，并熟悉荧光染料、夜光染料及变色染料的颜色产生机理。
④了解荧光染料、夜光染料及变色染料在纺织染整方面的应用，思考染料发展方向。
导言：早在 19 世纪 60 年代 W.H.Perkin 发明合成染料以后，人们对染料的颜色和结构的关系进行了深入的研究，并提出了各种理论。
量子力学的发展使人们对物质的结构的认识有了一个新的突破，此后人们开始从量子力学的角度来对染料的颜色和结构的关系进行研究。
在早期的颜色理论中，发色团及助色团理论的影响很大。
染料的颜色除了与染料本身结构有关外，还受到外界条件的影响。
随着科技的发展，功能染料在当今的社会发展中起到了越来越重要的作用。
荧光染料、夜光染料及变色染料在纺织染整方面的应用也得到很重要的发展。
1.1 光与色颜色是光线刺激了眼睛而在大脑中反映出来的一种主观感受。
它需要考虑到物理学和生理学两方面的因素。
光具有波粒二象性。
很早以前，麦克斯韦就提出了光具有电磁波的特性。
它由相互垂直的电场和磁场组成，其振幅以波动方式分别随时间和距离而变化。
1905 年，普朗克和爱因斯坦建立了一种与电磁辐射模型显然不同的微粒子理论。
这种理论把光看成是一束不连续的能量微粒或光子流，但它按麦克斯韦波动理论的波阵面速度传播。
现在我们知道，光既是一种波又是一种微粒，它具有波粒二象性。
光是一种电磁波，波长不同的光会使光的性质不同，从而引起不同的色觉。
波长为400nm-800nm的光按适当比例的混合后，照射到眼睛的视网膜上呈现的是白色。
使一束这样的混合光通过一个适当的棱镜或光栅，我们会看到连续的有色光谱，其色调主要以此为红、橙、黄、绿、蓝和紫。
这些有色光的波长从红到紫以依次递减。
因此，低能量的光子产生红色的感觉，高能量的光子产生紫色的感觉。
第03章 染料的颜色和结构
435nm
580nm
560nm 500nm
480nm 490nm
4
二、吸收定律
Lambert-Beer定律：
l
I0
入射光 C
Iλ 透射光
在稀溶液（理想溶液）中，若不计溶质分子之间 的和溶质与溶剂分子之间的相互作用，透射光强 Iλ与入射光强I0 之间成自然对数关系。 Iλ=I0 ℮ -k'c l (1)——这是光谱学的基本定律之一。
吸收能级ΔE——等于染料吸收带宽的曲线积分(激化度)。 吸收带的宽度和颜色的鲜艳度有关。谱带越宽，颜色越灰暗。
7
1、 A-λ曲线：
A
1.20
0.90 0.60 0.30
λmax=530nm
0.00 380
480
580
680
780 λ(nm)
活性红X-3B的吸光度曲线
（l=1cm，c=50mg∕L）
1、稠环数越多，颜色越深越浓； 2、芳烃的直向稠合比角向稠合易于产生深浓色效应。 3、交替键越长，颜色越深越浓；
二、判断取代基与颜色的关系
1、供电子基一般产生深色和浓色效应； 如-NH2、-NHR、-NH2、-OH、-OR等 2、吸电子基一般产生深色和浓色效应； 如-NO2、-X、-CN、>C=O、—SO3H等 3、供吸电子基的协同作用,使深浓色效应增强,形成氢键，则更强； 4、隔离基可构成混色效应。 如均三嗪基、酰胺基、间次苯基、亚甲基等。
分子轨道理论着眼于处理电子在整个分子中的运动状态和能量的关系， 根据量子力学原理，由薛定谔（Schrö dionger）方程式算出可能出现
的分子轨道，再由各分子轨道能级间隔来确定吸收的量子能级，从而 与λ形成定量关系。
染料化学 第03章 颜色结构
3、掌握染料颜色与介质性质的关系。一般来说，当激化态染料分子 为极性共振结构时，极性溶剂将产生深色效应；当基态染料分子显极性 结构时，非极性溶剂将产生深色效应。上述结论，反之亦然。
价键理论认为：对于共轭链来说，基态和激化态的共振程度随着双 键的增加而增加，其共振能随着双键的增加而下降，激化态比基态下降 得更快，因而激化能级间隔ΔE随着双键的增加而缩小，既是说最大吸收 波长λmax随之增加，这样而产生深色效应。
例如：卤代苯，引入吸电子基—X，使最大吸收波长增加λ’max↗。 在以上两图中，由价键理论判断：ΔE’<ΔE，则λmax>λ’max，产生深色效 应。
吸收强度，这一点对染料颜色的浓与淡具有实际意义。[1]P56-58
§3.3 染料发色的两种理论
经过漫长的研究过程，人们总结出染料发色的两个重要理论：
1、价键理论——用以定性地描述染料的发色机制， 2、分子轨道理论——试图定量描述染料的发色机制。
一、价键理论的本质
价键理论着眼于处理两个相邻原子之间相互作用时形成化学键的电 子运动状态和能量关系。它是“共振论”的一种描述形式。
更多内容，建议阅读：
[1] 王菊生，染整工艺原理，第三册，第3章，第4章 [2] J.Griffiths, Colour and Constitution of Organic molecules, Academic
Press,1976
△阅读布置
关于“染料的颜色和结构”、“染料的光化学基础”、“上染过程的吸附 现象”、“扩散和上染速率”这些内容，我们将在本课程今后具体染料的 各章节中根据内容需要穿插讲授。
染料化学 第03章 颜色结构
《染料化学》原始教程第3章染料的颜色和结构第3章染料颜色和结构（Color and Constitution of Dyes）本章分4个小节进行介绍：§3.1 吸光现象和吸收光谱曲线§3.2 吸收光谱的量子概念§3.3 染料发色的两种理论§3.4 染料颜色与结构的关系通过本章学习，要掌握以下内容：1、侧重掌握染料发色的价键理论，即共振理论。
它可以定性地解释发色团与助色团在染料结构中与颜色的关系，即描述它们是如何产生深色效应、浓色效应、浅色效应、淡色效应的，以及这些效应和最大吸收浓长λmax和最大摩尔吸光系数εmax 之间的关系。
2、了解染料发色的分子轨道理论。
它试图定量描述染料发色机制，由于染料发色本质的复杂性和多元性，尚难以通过理论计算求出染料的λmax，但是它对进一步解释结构与颜色的关系提供了强大的理论基础。
3、掌握染料颜色与介质性质的关系。
一般来说，当激化态染料分子为极性共振结构时，极性溶剂将产生深色效应；当基态染料分子显极性结构时，非极性溶剂将产生深色效应。
上述结论，反之亦然。
4、尝试由染料结构与颜色的关系解释一些官能团，如吸电子基团、供电子基团、隔离基团在染料结构设计中的运用，判断染料结构与其颜色的关系，比较不同结构的染料其颜色的深浅和浓淡取向等。
5、物质的吸收特性和吸光曲线，由染料的吸光曲线分析染料。
《染料化学》原始教程 第3章 染料的颜色和结构 §3.1 吸光现象和吸收光谱曲线一、概念述语光——可产生色感的电磁波。
习惯上称产生色感的电磁波谓之可见“光”，如红光、紫光等，不可见的电磁波谓之辐射“线”，如红外线IR 、紫外线UV 等。
色——视觉对可见光的感受。
物质对光的选择吸收便显现了物质的颜色。
发色团——结构中能吸收可见光波的吸电子基团。
它以提升染料的λmax 为主导。
助色团——接在π共轭体系上的供电子基团。
它以提升染料的εmax 为主导。
第三章 染料的颜色与结构-PPT精品文档
以D代表)
A＝lgI/I0 浓度c以摩· 升－1为单位，吸光度A和摩尔
吸光系数的关系为： A＝cl
染料激化态和基态之间的能级间隔E必须与此相适
应。这个能级间隔的大小虽然包含着振动能量和转动
能量的变化，但主要是由价电子激化所需的能量决定
的。就有机化合物而言，对可见光吸收的能级间隔是 由它们分子中电子运动状态所决定的。 键电子所处 的能级比较低， 激化的能级间隔较大，所需能量属 于远紫外线的能量范围。>C＝O、－N＝N－等氧、
吸收波长为： ＝hc/E
由上可知，激化态和基态的能 级间隔越小，吸收光波的频率 越低，而吸收波长则与此成反 比。作为染料，它们的主要吸 收波长应在380－780nm波段 范围内。染料激化态和基态之 间的能级间隔E必须与此相
适应。
v '= 2 v '= 1 v '= 0
E
v "= 2 v "= 1 v '= 0ຫໍສະໝຸດ 第二节 吸收现象和吸收光谱曲线
一、颜色和吸收
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们视觉上产生的反映。 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。
二、吸收定律 染料的理想溶液对单色光(单色光是波长间隔很小的 光，严格地说是由单一波长的光波组成的光)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。
第三章 染料的颜色和结构
§3.1 引言 §3.2 吸收现象与吸收光谱曲线 §3.3 吸收光谱曲线的量子概念 §3.4 染料颜色与结构的关系 §3.5 外界条件对吸收光谱的影响
本章教学要求
1.了解染料对光吸收现象的关系 2.了解光谱色的性质，吸收光谱曲线的量子 概念。 3.掌握染料分子结构与染料颜色之间的关系 （重点） 4.了解外界条件对吸收光谱的影响。
注： 重氮组分 引入吸电 子基有利 于深色效 应.
② 在染料分子的共轭系统中引入取代基之间能形成 氢键，有利于深色效应。
三、染料分子的吸收各向异性和空间阻碍
染料分子对光的吸收是有方向性的，使染料显示不 同颜色。例如：
λmax= 603 nm
λmax= 420 nm λmax= 623 nm
结论 染料的结构与颜色的关系:
普通发色体的颜色，一般并不很深，对各类纤维也不一定有亲和力， 但当另外引入一些基团时，会使整个分子的颜色加深、加浓，并且对纤维 有 亲 和 力 ， 维 特 把 这 些 基 团 称 为 助 色 团 。 主 要 的 助 色 团 有 ： —OH 、 — OR、—NHR、—NR2、—Cl、—Br等。
此外，像—SO3Na、—COONa等较特殊的助色团，它们对颜色无显 著的影响，但可使染料具有水溶性，并使染料在水溶液里带负电荷，从而 对某些纤维产生亲和力。
橙
蓝
5955n8m0nm 黄
480nm
蓝 绿-蓝
580nm 黄-绿 绿 -绿 490nm
560nm
500nm
4. 颜色的拼配 三原色： 红 黄 蓝 红 黄
二次色： 橙
绿紫 橙
三次色：
橙
黄灰 蓝灰 红灰
绿
紫
颜色拼配举例
第三章 染料的颜色和结构
吸光值
0.4 0.3 0.2 0.1 0 400
吸光值
450 500 550 600 650 700
0.4 0.3 0.2 0.1 0 400
波长,nm 白色物质吸光曲线
450 HN SO2NH2
500
550
600
650
COCH3
波长，nm 灰色染料吸光曲线
二、吸收定律
Lambert-Beer定律
在连续光谱中，某些光量子的能量被物质吸收后，就形 成该物质的吸收光谱。
一般认为，可见光的波长范围在380～780nm之间，如果 物质的激发能ΔE对应的吸收光的波长在与此相应的范围 内，就能表现出颜色。
在可见光波范围内的激化能最高相当于：
1.17 105 E 293 千焦耳/摩尔 400 1.17 105 E 154 千焦耳/摩尔 700
1 0.9
N N HO C C N C N CH3
OH N N
NHCOCH 3
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 500 波长，nm 红色物质在可见光区吸收曲线
0.7
吸光值
吸光值
NaO 3S
SO3Na
SO3H
600
700
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400
N 0.1 N
0 400
N
500 550
N
700
NH2
HO3S
SO3H
波长,nm 棕色染料吸光曲线
波长,nm 黑色染料吸光曲线
0.7 0.6 0.5
0.7 0.6 0.5
COCH3 NH N O O Cr N N O SO2NH2 HN COCH3 700 N O 或 SO2NH2 O Cr/2 N N O -
《2013染料化学》习题
《染料化学》习题第一章染料概述1名词解释：（1）染料（2）颜料（3）染料商品化（4）染色牢度（7）致癌染料。
2、构成染料的条件是什么？3、按纺织纤维分类写出各种纤维染色适用的染料（应用分类名称）。
4、染料的名称由哪几部分组成？各表示什么？5、何谓染料商品化加工？染料的商品化加工有何作用？常用哪些助剂？6、评价染色牢度的指标有哪些？7、什么是《染料索引》？包含哪些内容?8、试指出下列染料的类属（结构分类，应用分类）(1)OHOHO OHOH2 20%H 2SO4-110~115 C-SO3HNH」OH O( 2)OHSO3HNa2S75~80 C SO3Na N02 OH OSO3NaCOONa^■■1_N= Nso3H》_NHCONH_《SO3Na(4)BrNHX Br XX COCOONa-J直接铜盐紫)3RL (C. I. 25355)(5)SO3NaOHN= NO OHO NH —CH 3NHCOBrNHc—C/(H3O2NBrNH2（5 ）禁用染料（6）致敏染料第二章中间体及重要的单元反应1何谓染料中料，在合成中料中主要采用哪些单元反应?2、 试述卤化、磺化和硝化在染料中料合成中的作用，并以反应方程式表示引入这些取代基的方法。
3、 合成染料用的主要原料是什么？有哪些常用的中间体？写出从芳烃开始合成下列中料、染料的途径。
(7) ( 8)(9)( 10)4、 以氨基萘磺酸的合成为例，说明萘的反应特点以及在萘环上引入羟基、氨基的常用方法。
5、 以蒽醌中料的合成为例，说明在蒽醌上引入羟基、氨基的常用方法。
6、 何谓重氮化反应？影响重氮化反应的因素有哪些？7、 何谓偶合反应？偶合剂主要有哪几类？影响偶合反应的因素有哪些？ 8、 试述偶合反应的 pH 值对偶合反应速率的影响。
9、 盐对偶合反应的速率有什么影响？10、以芳烃为原料，写出下列染料合成反应过程和基本反应条件。
第三章染料的颜色和结构1、名词解释： （1）发色团（2）助色团（3）深色效应（4）浓色效应（5）浅色效应（6）淡色效应 （7）互补色（8）单色光（9）积分吸收强度（10）吸收选律（11） Lambert-Beer 吸收定律2、从染料的吸收光谱曲线的性状上可得到哪些信息?(1) (2)(3)(4) SO s NaOH NH 2(5)O 2N NO 2NaO 3NH 2OHO OHO OHO NH 2NH 2 O O NH 2O（1）3、 试用量子概念、分子激化理论解释染料选择吸收光线的原因。
染料参考资料化学 第03章 颜色结构
第3章染料颜色和结构（Color and Constitution of Dyes）本章分4个小节进行介绍：§3.1 吸光现象和吸收光谱曲线§3.2 吸收光谱的量子概念§3.3 染料发色的两种理论§3.4 染料颜色与结构的关系通过本章学习，要掌握以下内容：1、侧重掌握染料发色的价键理论，即共振理论。
它可以定性地解释发色团与助色团在染料结构中与颜色的关系，即描述它们是如何产生深色效应、浓色效应、浅色效应、淡色效应的，以及这些效应和最大吸收浓长λmax和最大摩尔吸光系数εmax 之间的关系。
2、了解染料发色的分子轨道理论。
它试图定量描述染料发色机制，由于染料发色本质的复杂性和多元性，尚难以通过理论计算求出染料的λmax，但是它对进一步解释结构与颜色的关系提供了强大的理论基础。
3、掌握染料颜色与介质性质的关系。
一般来说，当激化态染料分子为极性共振结构时，极性溶剂将产生深色效应；当基态染料分子显极性结构时，非极性溶剂将产生深色效应。
上述结论，反之亦然。
4、尝试由染料结构与颜色的关系解释一些官能团，如吸电子基团、供电子基团、隔离基团在染料结构设计中的运用，判断染料结构与其颜色的关系，比较不同结构的染料其颜色的深浅和浓淡取向等。
5、物质的吸收特性和吸光曲线，由染料的吸光曲线分析染料。
§3.1 吸光现象和吸收光谱曲线一、概念述语光——可产生色感的电磁波。
习惯上称产生色感的电磁波谓之可见“光”，如红光、紫光等，不可见的电磁波谓之辐射“线”，如红外线IR 、紫外线UV 等。
色——视觉对可见光的感受。
物质对光的选择吸收便显现了物质的颜色。
发色团——结构中能吸收可见光波的吸电子基团。
它以提升染料的λmax 为主导。
助色团——接在π共轭体系上的供电子基团。
它以提升染料的εmax 为主导。
全色——连续光谱依自然比例混合后的颜色。
可见光波全波段（380-780nm ）的光按自然比例混合后可以得到白色(指人类视野)，反过来，白色光通过色散可以得到一段连续光谱（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）。
第3章染料的结构与颜色讲述
A：吸光度，透光度T=I0 /I；I0：入射光强度；I：透射光强度； c：溶液浓度；l：光程；ε：摩尔吸光度。
➢ε与有色物质的结构、光的λ有关。
2020年10月4日
第三章 染料的结构与颜色
2、吸收光谱 ➢以ε和可见光的波长λ作图，得到的光谱图，称为吸收光
谱。横坐标：λ(nm)；纵坐标：ε。
➢从ε-λ图中可以得到 ε 一定结构物质与吸 收光谱的关系。可 以代表某一化学物 质的结构特性。
2020年10月4日
第三章 染料的结构与颜色
发色团与助色团
HO
NaO3S
NN
O
O
酸性橙Ⅱ （C.I.酸性橙7，15510）
偶氮结构母体为发色体； -SO3Na、-OH为助色团。
还原深蓝BO （C.I.还原蓝20，59800）
只有发色体，不含助色团
2020年10月4日
第三章 染料的结构与颜色
➢ 发色团助色团理论缺点：
性吸收的结果。
2020年10月4日
第三章 染料的结构与颜色
3、补色 ➢两种不同颜色的光混合起来成为白光，这两种光的颜色
称为补色。 ➢一种色的补色可以是单色光，也可以是除去这个颜色光
后白光剩余的颜色。 ➢在颜色盘（环）上能很清楚地看到光谱色的补色就是它
的对角所表示的颜色。即物体的颜色实际上就是物体吸 收光的补色。
在380~780nm。 ➢人们感觉到的光的颜色是不同波长的可见光照射到人眼
中，刺激人的眼神经，而引起的一种生理现象。
➢红色光的波长最长：640~770nm；紫色光的波长最短： 400~440nm。
化学颜料和染料的结构和颜色关系
化学颜料和染料的结构和颜色关系化学颜料和染料是重要的颜色源，它们广泛应用于绘画、印刷、纺织等领域。
本文将探讨化学颜料和染料的结构与其颜色之间的关系。
一、化学颜料的结构特点化学颜料是一种粉末状颜色物质，具有较好的色彩鲜艳度和遮盖力。
它们的颜色来源于分子结构中的特定基团和官能团。
化学颜料的结构特点主要包括以下几个方面：1. 颜料的颜色基团：化学颜料分子中的特定基团赋予其颜色。
不同的颜色基团反映出不同的吸收光谱区域。
例如，苯环具有共轭结构，能吸收紫外光，导致分子呈现黄色或红色。
2. 遮盖性与粒度分布：颜料的遮盖性与颗粒的大小和分布有关。
较小颗粒能更好地散射和吸收光线，从而增强遮盖性。
此外，颗粒的分布均匀度也影响着颜料的色彩均匀度。
3. 耐光性：由于颜料常暴露于阳光照射下，其结构需要具备一定程度的耐光性。
一些颜料分子通过添加有机或无机草酸、醌等结构单元来增强其耐光性，减少颜料的褪色。
二、染料的结构与颜色关系与颜料不同，染料是具有可溶性的有机分子，能够在染料与纤维或其他材料间形成化学键而实现着色。
染料的结构与颜色之间的关系主要由以下几个因素决定：1. 色团结构：染料分子中的色团决定了染料的颜色。
常见的色团包括偶氮类、芳香醇、芳香醛等。
不同的色团对光的吸收和反射产生不同的效果，从而呈现出不同的颜色。
2. 共轭结构：许多染料分子具有共轭结构，通过延长π电子体系，增加色团的吸收范围。
这使得染料可以吸收较宽的光谱范围，呈现出更深的颜色。
3. 可溶性与亲和力：染料需要具有一定的可溶性，以便在染色过程中充分与纤维或其他材料发生相互作用。
此外，染料还需要与纤维表面存在一定的亲和力，以确保染料牢固地结合在材料上。
三、结构与颜色关系的应用了解化学颜料和染料的结构与颜色关系，有助于合成出更多种类的高性能颜料和染料，并应用于各行各业。
如今，许多科研机构和企业致力于开发新型颜料和染料的设计和合成，以满足人们对颜色的特殊需求。
此外，了解颜料和染料结构与颜色之间的关系，还对于文化艺术的发展具有重要意义。
结构化学-染料分子颜色与结构的研究
染料分子结构与颜色的关系[摘要] 通过建立有机染料分子模型，用Gaussian03量子化学软件包计算其最大吸收波长，讨论有机染料分子结构与其颜色的关系。
采用半经验PM3方法对模型化合物的几何结构进行了优化。
根据优化结果，对以上化合物的性质进行分析。
[关键词] Gaussian 03；染料分子；共轭结构0 引言染料是有颜色的物质，染料的颜色源于其分子对可见光选择性地吸收，而主要的颜色是它的最大吸收光的互补色。
按照量子化学观点，分子在紫外区和可见区的吸收属于电子光谱，通过计算，可以得到分子中所有分子轨道的能量。
可以近似地认为，分子的激发能等于最低空轨道（LUMO）与最高占据轨道（HUMO）的能级差ΔE。
根据普朗克公式ΔE=hν，可以计算出分子的吸收频率和最大吸收波长，再根据互补色理论，得到染料的颜色。
1 计算方法用Gaussian 03量子化学软件包,采用杂化密度泛函理论基础中的B3LYP方法,在STO-3G 基组水平上,对具有共轭结构化合物的的几何结构进行了优化，算出LUMO 与HUMO的能级差,继而算出最大吸收波长,得出染料化合物结构与颜色的关系并作相关的讨论。
2 结果与讨论2.1 共轭结构的影响根据计算机优化结果可以发现，染料分子的共轭结构的差异对颜色有着不同的影响。
图 1.染料分子结构式表1 染料分子颜色与共轭键数目的关系n 1 2 3 4 5 6 ΔE /eV 4.833 4.224 3.785 3.452 3.205 3.009λmax /nm257 294 328 360 388 413颜色无色无色无色无色浅黄色黄色如表1所示，染料分子的颜色随共轭键数目的增加而加深。
π→π*跃迁的能级随着π→π共轭体系中的共轭数目增加而逐渐减少，所需激发能减少，导致分子的最大吸收波长增长，颜色变深。
表 2 苯及稠环能量及性质HOMO -0.35835 -0.32470 -0.30313 -0.28925 -0.27975LUMO -0.01456 -0.01498 -0.03564 -0.04971 -0.05977△E 0.34379 0.30972 0.26749 0.23954 0.21998 λmax（n m）255285384480580颜色无色无色无色黄色蓝色由于苯环的π电子具有较好的流动性。
chap3 有机染料的结构与颜色的
第三章 有机染料的结构与颜色的关系
3-1 光与色的基本概念 一、光和颜色
1. 光 （1）光——可见的电磁波 电磁波范围极广，可见光只是其中相对一部分380-780nm。 X射线 紫外线
10-9 兰色 10-7-10-5 青色 绿色
电磁波 γ 射 线
波长cm 紫外 10-11 紫色
可见光 红外线
日光
2. 色
（1）色——是光作用于人眼所引起的一种视觉反应。 （2）物质的颜色（彩色）——吸收光的补色
白光 反射（黄）
吸收（兰）
黄染料的吸收图 （黄、兰（互补色） ）
光线全部被吸收——黑——不透明 光线全部被反射——白色——不透明 光线全部被透过——无色——透明 光线各波段均匀地部分吸收——灰色 光线选择吸收——彩色
2 电子跃迁的基本类型 可能产生6种跃迁 σ π * ；σ σ *； π n σ* n π* 。 其中跃迁可能性较少。σ π
σ *；
*
π
π *； σ *。
；
π
3 各种电子跃迁类型的基本特点
跃迁类型 △E（kg/mol） λ max(nm) 跃迁强度 跃迁出现范围 属这类跃迁有 机分子 σ 800 150 小 远紫外 烷烃 σ
第三章 染料的颜色和结构讲解
λ max
416nm
(在CH2Cl2中)
(在CH2Cl2中)
在染料合成中有时采用所谓隔离基的方法把两个发色体系联接 在一起，互不干扰而成为一个染料分子，以得到绿色、棕色或
其它颜色。常用的隔离基有：
C N
N C
C N
O C NH
均三嗪基
酰胺基
间次苯基
分子的吸收各向异性和空间阻碍 分子对光的吸收是有方向性的。这可以米契勒(Michler)蓝 和孔雀绿的吸收情况为例加以说明。 孔雀绿的共轭体系有两个向不同方向展开的共轭轴。其中一
原子上的孤对电子的能级比较高，激化所需的能量虽
较小，在一定条件下会对可见光发生吸收，但吸收的 强度都很低，对染料的颜色作用不大，而对染料的光 化学作用却有很大的意义。
二、吸收强度和选津 在光谱学中，人们用跃迁矩来估算吸收强度。据
估算，许多具有共轭结构的有机化合物的电子跃迁，
吸收强的max可达105 数量级。人们把 max 很小的跃 迁称为“禁戒”的，而把max 大的跃迁称为“允许” 的。max 小于102的就算是“禁戒”的了。 要发生具有一定跃迁矩的所谓“允许”的跃迁， 要有一定的条件。这些条件称为选律；主要的如下所 述。
染料激化态和基态之间的能级间隔E必须与此相适
应。这个能级间隔的大小虽然包含着振动能量和转动
能量的变化，但主要是由价电子激化所需的能量决定
的。就有机化合物而言，对可见光吸收的能级间隔是 由它们分子中电子运动状态所决定的。 键电子所 处的能级比较低， 激化的能级间隔较大，所需能量 属于远紫外线的能量范围。>C＝O、－N＝N－等氧、氮
电子跃迁过程中，分子被激化成各种振动状态的机车
问题可以用法兰克－康登原理加以说明。
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染料激化态和基态之间的能级间隔E必须与此相适
应。这个能级间隔的大小虽然包含着振动能量和转动
能量的变化，但主要是由价电子激化所需的能量决定
的。就有机化合物而言，对可见光吸收的能级间隔是 由它们分子中电子运动状态所决定的。 键电子所 处的能级比较低， 激化的能级间隔较大，所需能量 属于远紫外线的能量范围。>C＝O、－N＝N－等氧、氮
第三章
染料的颜色和结构
言
第一节 引
第二节 吸收现象和吸收光谱曲线
第三节 吸收光谱曲线的量子概念
第四节 染料的颜色和结构的关系 第五节 外界条件对吸收光谱的影响
第一节
引
言
本章的任务在于说明：染料对光的吸收现象、吸 收现象的量子概念以及染料的颜色和结构的一般关系。 这里所谓染料的颜色一般是指染料的稀溶液吸收特性， 也就是指染料成分子分散状态时的吸收特性而言的。 同一染料由于聚集状态或晶体结构的不同，表现的颜 色就会有差异。对于这些现象只能在有关的地方顺便 作简单的说明而不另作专门讨论。
个共轭轴较长：和米契勒蓝相当，它的吸收带称为x带，max为
623nm；另一个较短，它的吸收带称为y带，max为420nm。在麻纤维上)，以适当波长的偏振光照射，便会 出现显著的二色性。
空间阻碍
CH3
CH3
第五节
电子跃迁过程中，分子被激化成各种振动状态的机车
问题可以用法兰克－康登原理加以说明。
第四节 染料的颜色和结构的关系
作为染料，它们的主要吸收波长要在可见光范围
内，吸收强度max一般为104～105。如前所述，染料对
可见光的吸收特性主要是由它们分子中π电子运动状
态所决定的。要具有上述吸收特性，染料分子结构中
H2N N N
(
N N
)n
供电子基和吸电子基
许多染料的共轭系统上都接有－OH、－OR、－NH2、－NHR、
－NR2等供电子基，产生深色效应和浓色效应。许多染料的分子
结构中不仅在共轭系统上接有供电子基，而且还具有－N02、－ CN、>C＝O等吸电子基，供、吸电子基的协同作用比它们各自 单独作用的和要大。
电子发生跃迁时，分子的电子能级发生变化，原子核 的振动状态和分子的转动状态也会随之而发生变动。
所以，由于电子跃迁而发生的分子能量变化E是由电
子能量变化Ee，振动能量变化E 和转动能量变化
Er所构成的，而且也是量子化的。
E＝Ee＋Ev＋Er 在光的作用下，当光子的能量和分子的能级间隔一 致时，便可能发生吸收，分子的能级增高而成为所 谓激化态。这种增高能级的过程叫做激化。
所谓的发色团，一般指的是那些能对波长为200～
1000nm 的电磁波发生吸收的基团。实际上，染料要
对波长大致为380～780nm范围内的光波发生吸收才
能具有颜色。它们的分子结构里要有—个由若干共轭
双键构成的共轭系统。这些共轭系统往往还带有助色
团，成为一个发色体系。所谓助色团，指的是那些接 在 共轭系统上的－NH2、－NHR、－NR2、－OH、 －OR等供电子基团。
吸收波长为： ＝hc/E
由上可知，激化态和基态的能 级间隔越小，吸收光波的频率 越低，而吸收波长则与此成反 比。作为染料，它们的主要吸 收波长应在380－780nm波段范 围内。染料激化态和基态之间
v'=2 v'=1 v'=0
E
v"=2 v"=1 v'=0
E1
的能级间隔E必须与此相适应。
E0
须有一个发色体系。这个发色体系一般是由共轭双健 系统和在一定位置上的供电子共轭基，即所谓助色团 所构成的。有许多除了供电子共轭基外，还同时具有 吸电子基团。也有一些染料（为数不多）的发色体系
中是没有所谓助色团的.
增加吸收波长的效应叫做深色效应，增加吸收强 度的效应称为浓色效应。反之，降低吸收波长的效应 叫做浅色效应，降低吸收强度的效应叫做淡色效应。 对同系物来说，增加共轭双键系统的共轭双键，会产 生不同程度的深色和浓色效应。在共轭双键系统的一 定位置上，供电子基产生深色和浓色效应，特别是在 吸电子基的协同作用下，效果更大。
外界条件对吸收光谱的影响
吸收光谱曲线的测定一般都在稀溶液状态下进行。
溶剂的性质、溶液的浓度和温度都会对吸收光谱发生
影响。 由于分子之间的互相作用，在溶液中染料的吸收光 谱随它们分子所处的条件不同而有变化。固体状态的 吸收状况较溶液更为复杂。染料的结晶状态、晶体颗
粒的细度及其分布情况都会影响它们的吸收特性和散
常用的朗伯特-比尔定律方程式。
将波长为的单色光平行投射于浓度为c的稀溶液， 温度恒定，入射光强度为I0，散射忽略不计， 通过 厚度为l的液层后，由于吸收，光强减弱为I，它们之 间的关系为：
I＝I010－acl
透过光和入射光的光强之比I/I0称为透光度，常以T
代表。如厚度1以厘米为单位，浓度c以克· 升－1为单位，
别，人们往往把波长最长的吸收带称为第一吸收带，
以区别于波长较短的其它吸收带。 吸收带的面积称为积分吸收强度，它表示整个谱 带的吸收强度。
~ 积分吸收强度＝ d
第三节 吸收光谱曲线的量子概念
一、吸收波长和能级 光是一种电磁波，具有波和微粒两象性质。它的波动 频率和光速c成正比，和波长成反比。 ＝c/ 光又具有微粒性质。它的能量发射、传播和转移都不 是连续，而是量子化的，以能量微粒光子为最小单元 的。光子的能量和光的频率成正比。 E＝ h 式中E为一个光子的能量， h为普朗克常数 (6.6256x10－27尔格· 秒，l卡＝4.184×107尔格)。
射情况，从而使颜色有所不同。
“苯酚蓝” 的分子右边是吸电 子基，左边是供电子基，激化 时，电荷发生转移。它的激化 态可写成下式：
(CH3)2N
N
O
(CH3)2N
N
O
它在极性溶剂中比较稳定，因 而产生深色效应。它在不同溶 剂和的吸收max有如下表所示：
表 3－5 溶剂 max（nm） 环己烷 652 苯酚蓝在不同溶剂中的max 丙酮 582 甲醇 612 水 668
λ max
416nm
(在CH2Cl2中)
(在CH2Cl2中)
在染料合成中有时采用所谓隔离基的方法把两个发色体系联接 在一起，互不干扰而成为一个染料分子，以得到绿色、棕色或
其它颜色。常用的隔离基有：
C N
N C
C N
O C NH
均三嗪基
酰胺基
间次苯基
分子的吸收各向异性和空间阻碍 分子对光的吸收是有方向性的。这可以米契勒(Michler)蓝 和孔雀绿的吸收情况为例加以说明。 孔雀绿的共轭体系有两个向不同方向展开的共轭轴。其中一
三、吸收光谱曲线 从图中可以看出，在某一
波段内，有一个吸收带，它的
最大吸收波长称为该吸收带的 最大吸收波长，以max代表,相 应的吸光度可计算出摩尔吸光 系数max。
吸收带的面积称为积分吸
收强度，它表示整个谱带的吸 收强度。
在一个电子吸收光谱曲线图里可以有几个吸收带， 它们分别反映电子运动状态的不同变化。为了便于区
对称选律
φ4 φ3 E
E3－E 2
φ2 φ1
E4－E1
图3-5 丁二烯的 电子*跃迁 示意
自旋选律
在一般的基态分子中，电子自旋方向相反（自旋反平行）而 成对的（自旋反平行的电子对可写作符号）。但有时分子中 有2个自旋方向相同的电子（自旋平行）。前一种状态称为 单态，后一种状态称为三态。因为在一定强度的磁场作用下， 单态的原子光谱只有一条谱线；三态的原子光谱有三条谱线。 这种态数称为自旋多重性。三态的能级比相应的单态低一些。
有些染料对溶液的pH敏感。它们有的是作为pH指示 剂用的。例如，甲基橙和酚酞，它们在不同pH的溶液
中成不同的互变异构体。
甲基橙
(CH3)2N N N 橙色 (CH3)2N N N H 红色 SO3 SO3
染料溶液，特别是水溶液，浓度超过某一限度以后就会发 生分子间的聚集而引起吸收光谱曲线的变化。例如浓度分别为
a称为吸光系数。浓度如以摩· 升－1为单位，则a改写为 ，称为摩尔吸光系数 (以前称为克分子消光系数)。 它是溶质对某一单色光吸收强度特性的衡量。 T＝I/I0， lgT－1称为吸光度，以A代表 (也称光密
度，以D代表)
A＝lgI/I0 浓度c以摩· 升－1为单位，吸光度A和摩尔
吸光系数的关系为： A＝cl
原子上的孤对电子的能级比较高，激化所需的能量虽
较小，在一定条件下会对可见光发生吸收，但吸收的 强度都很低，对染料的颜色作用不大，而对染料的光 化学作用却有很大的意义。
二、吸收强度和选津 在光谱学中，人们用跃迁矩来估算吸收强度。据
估算，许多具有共轭结构的有机化合物的电子跃迁，
吸收强的max可达105 数量级。人们把 max 很小的跃 迁称为“禁戒”的，而把max 大的跃迁称为“允许” 的。max 小于102的就算是“禁戒”的了。 要发生具有一定跃迁矩的所谓“允许”的跃迁， 要有一定的条件。这些条件称为选律；主要的如下所 述。
第二节
吸收现象和吸收光谱曲线
一、颜色和吸收
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们视觉上产生的反映。 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。
二、吸收定律 染料的理想溶液对单色光(单色光是波长间隔很小 的光，严格地说是由单一波长的光波组成的光)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。
10－6M、10－2M的吖啶橙水溶液的吸收光谱曲线如图所示。
共轭双键系统 增加稠合的苯环，就产生深色、浓色效应。例如：
苯 萘 蒽