Chromophore

مواد رنگزا را می توان به طرق مختلف دسته بندی کرد؛ به عنوان مثال، براساس کاربرد یا اعداد شاخص رنگ که با عنوان color index numbers  شناخته می شود. یکی از روش های دسته بندی، بر اساس ساختار کروموفور رنگ هاست. ساختارهای شیمیایی مواد رنگزا مانند آزو، دی فنیل متان، گزانتن، اگزازین و ….

ساختار شیمیایی رنگ ها روی خواص فیزیکی و شیمیایی آنها تاثیر مستقیم دارد؛ به طور مثال رنگ هایی با ساختار آزو یا نیترو با رنگ های فتالوسیانین و دی آریل متان، دارای خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوتی است. ساختار شیمیایی مواد رنگزا در جذب و انعکاس نور نیز تاثیرگذار است؛ مثلاً ساختار دوگانه مزدوج (کانجوله) مانند آمین ها، قابلیت جذب نور را در ماده افزایش می دهد. هر رنگ ساختار شیمیایی منحصر به فردی دارد که می توان با توجه به ساختار، آن شناسایی کرد.

کروموفور چیست؟

کروموفور، یک ترکیب آلی در مولکول رنگ است که دارای یک یا چند گروه غیر اشباع است. به بیان دیگر کروموفور یک جزء اشباع نشده از مولکول ماده رنگزا است که باعث رنگی شدن ماده آلی می شود. کروموفورها از گروههای مختلفی تشکیل می شوند که متداولترین آنها عبارتند از : نیترو (─NO2)، آزو (─N═N─)، نیتروزو (─N═O)، تیوکربونیل (─C═S)، کربونیل (─C═O) و همچنین آلکن ها (─C═C─).

ساختار کروموفورها

ساختار کروموفورها موضوعی گسترده و متنوع است که انواع مختلفی از مولکول ها و گروه های عاملی را در بر می گیرد. در اینجا ساختار برخی از کروموفورهای رایج، از جمله پیوند مزدوج، کمپلکس های فلزی و گروه‌های عاملی آلی را بررسی خواهیم کرد.

1.پیوندهای مزدوج:

ساختار مزدوج یکی از رایج ترین ساختارهای کروموفورهاست. آنها از پیوندهای متناوب ساده و چندگانه (معمولاً پیوندهای دوگانه کربن-کربن(─C═C─) یا پیوندهای ساده کربن-کربن در مجاورت پیوند دوگانه کربن- کربن) تشکیل شده اند. الکترون‌های π غیرمحلی‌شده در ایت قبیل ساختار، باعث جذب رنگ در آن‌ها می‌شوند.

الف) پلی ین ها: پلی ین ها زنجیره های هیدروکربنی با پیوندهای ساده و چندگانه متناوب هستند. ساده ترین مثال 1،3-بوتادین یا همان دی استیلن است ( ( H – C≡C – C≡C – Hکه از چهار اتم کربن با دو پیوند سه گانه در وسط تشکیل شده است. ساختار کانجوله در پلی ین ها امکان جذب نور در طیف مرئی و در نتیجه ایجاد رنگ را فراهم می کند. هر چه ساختار کانجوله طولانی تر باشد، دامنه جذب گسترده تر و رنگ شدیدتر می شود.

ب) حلقه های آروماتیک:

ترکیبات معطر مانند بنزن، نفتالین و آنتراسن نیز به دلیل سیستم های مزدوج خود خواص کروموفوریک از خود نشان می دهند. این ترکیبات حاوی یک یا چند حلقه بنزن است که از شش اتم کربن تشکیل شده است که در یک ساختار شش ضلعی مسطح با پیوندهای متناوب ساده و دوگانه قرار گرفته اند. الکترونهای π غیرمحلی در ترکیبات معطر باعث رنگ مشخصه و جذب UV آنها می شود.

ج) رنگ‌های سیانین:

رنگ‌های سیانین دسته‌ای از رنگ‌های مصنوعی هستند که حاوی یک زنجیره پلی‌متین مرکزی با پیوندهای ساده و دوگانه متناوب هستند. این رنگ‌ها به دلیل ساختار مزدوج گسترده‌شان، رنگ‌های شدیدی را نشان می‌دهند. به عنوان مثال می توان به مالاکیت سبز و کریستال بنفش اشاره کرد.

2. کمپلکس های فلزی:

به ترکیباتی که در آن، اتم مرکزی، حداقل با یک پیوند داتیو با گروههای اتمهای اطراف خود (لیگاندها) متصل می شود، کمپلکس گفته می شود. در این ترکیبات، اتم مرکزی می تواند گیرنده الکترونهای جفت نشده اتمهای اطراف باشد. اکثر عناصر جدول تناوبی مانند فلزات گروه اصلی، فلزات گروه واسطه و حتی غیر فلزات نیز می‌توانند کمپلکس تشکیل دهند.

کمپلکس های فلزی به دلیل توانایی جذب نور می توانند به عنوان کروموفور عمل کنند. وجود فلزات واسطه مانند مس، آهن یا کبالت می تواند منجر به رنگی شدن ترکیب شود.

الف) کمپلکس های فلزی انتقالی:

کمپلکس های فلزات واسطه از یک اتم فلز مرکزی تشکیل شده است که با لیگاندها هماهنگ شده است. این لیگاندها می توانند مولکول های آلی یا معدنی باشند که جفت الکترون به فلز اهدا می کنند. درواقع در این کمپلکسها فلز مستقیماً با کربن پیوند تشکیل می‌دهد. در این ترکیبات فلز در حالت اکسایش پایین خود مانند 2- و 1- و 0 و 1+ می‌باشد.

جذب نور توسط کمپلکس های فلزات واسطه ای به دلیل انتقال الکترونیکی بین سطوح مختلف انرژی اوربیتال های d فلز است. ساختار کمپلکس های فلزی بسته به تعداد هماهنگی و هندسه لیگاندها متفاوت است.

ب) متالوپورفیرین ها:

متالوپورفیرین ها به عنوان یک زیرمجموعه از کمپلکس های فلزات واسطه، حاوی یک حلقه پورفیرین به عنوان لیگاند هستند. حلقه پورفیرین از چهار واحد پیرول تشکیل شده است که توسط پل های متین به یکدیگر متصل شده اند. یون فلزی مرکزی، معمولاً آهن یا منیزیم، با اتم های نیتروژن در حلقه پورفیرین هماهنگ می شود. متالوپورفیرین ها مسئول رنگ های پروتئین های هم هستند، مانند هموگلوبین و میوگلوبین.

3. گروه های عملکردی ارگانیک

گروه های عاملی خاص در ترکیبات آلی می توانند به عنوان کروموفور عمل کنند و به رنگ مولکول کمک کنند.

الف) ترکیبات نیترو:

ترکیبات نیترو حاوی یک گروه نیترو (-NO2) است که شامل یک اتم نیتروژن است که به دو اتم اکسیژن پیوند دارد. وجود گروه نیترو منجر به جذب در ناحیه مرئی و در نتیجه رنگ های زرد تا نارنجی می شود. به عنوان مثال می توان به نیتروبنزن و تری نیتروتولوئن (TNT) اشاره کرد.

ب) ترکیبات کربونیل:

ترکیبات کربونیل حاوی یک گروه کربونیل (C=O) هستند که از یک اتم کربن با پیوند دوگانه به اتم اکسیژن تشکیل شده است. وجود گروه کربونیل بسته به ساختار مولکول و ترکیب آن می تواند منجر به رنگ آمیزی شود. به عنوان مثال، β-کاروتن، رنگدانه ای که مسئول رنگ نارنجی در هویج است، حاوی چندین گروه کربونیل مزدوج است.

ج) آزوبنزن:

آزوبنزن یک ترکیب آلی است که دارای یک گروه آزو مرکزی (-N=N-) است. وجود گروه آزو باعث جذب در ناحیه مرئی می شود که منجر به رنگ زرد تا قرمز آن می شود. آزوبنزن به طور گسترده ای به عنوان رنگ و در مواد واکنش دهنده به نور استفاده می شود.

کروموفورهای طبیعی

کروموفورهای طبیعی ترکیبات آلی موجود در طبیعت هستند که دارای خواص رنگی هستند. آنها از منابع مختلفی مانند گیاهان، حیوانات و مواد معدنی به دست می آیند. این رنگ‌های طبیعی قرن‌هاست که برای رنگ‌آمیزی منسوجات مورد استفاده قرار می‌گیرند و همچنان به دلیل رنگ‌های منحصربه‌فرد و اهمیت فرهنگی‌شان ارزشمند هستند.

یکی از شناخته شده ترین کروموفورهای طبیعی نیل است و برای رنگ آمیزی منسوجات به رنگ آبی استفاده می شود. مکانیسم رنگ‌دهی نیل، اکسیداسیون است. مولکول‌های نیل به ساختار الیاف نفوذ می‌کنند و از نظر شیمیایی به الیاف نساجی متصل می‌شوند و در نتیجه یک رنگ دائمی ایجاد می‌کنند.

از دیگر کروموفورهای طبیعی ماددر (madder) و کوشین (Cochineal) است که به ترتیب طیفی از رنگ های قرمز- نارنجی و قرمز- بنفش را به دست می دهد.

علاوه بر اینها، کروموفورهای طبیعی متعدد دیگری نیز در رنگ‌آمیزی منسوجات استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، زردچوبه جوش و چوب جنگلی. این کروموفورهای طبیعی طیف گسترده ای از رنگ ها را ارائه می دهند و می توانند برای ایجاد سایه ها و رنگ های مختلف ترکیب شوند.

کروموفورهای مصنوعی

کروموفورهای مصنوعی ترکیباتی هستند که به طور مصنوعی ایجاد می شوند که دارای خواص رنگی هستند. آنها معمولاً از پتروشیمی ها مشتق می شوند و برای تولید رنگ های خاص تحت فرآیندهای شیمیایی قرار می گیرند. رنگ‌های مصنوعی در قرن گذشته به عنوان جایگزینی مقرون‌به‌صرفه‌تر و در دسترس‌تر برای رنگ‌های طبیعی توسعه یافته‌اند.

مکانیسم رنگ آمیزی کروموفورهای مصنوعی شامل وجود ساختارهای شیمیایی خاصی است که طول موج های خاصی از نور را جذب می کنند و در نتیجه درک رنگ را ایجاد می کنند. این ساختارها را می توان برای ایجاد طیف گسترده ای از رنگ ها، سایه ها و رنگ ها تغییر داد. رنگ های مصنوعی اغلب در مقادیر زیاد تولید می شوند و به راحتی می توان آنها را تکثیر کرد که آنها را برای تولید انبوه در صنعت نساجی مناسب می کند.

کاربرد کروموفورها در نساجی

همانطور که گفته شد، نیل، ماددر و کوچین  نمونه هایی از کروموفورهای طبیعی هستند که در منسوجات استفاده می شوند. به علاوه رنگ های آزو، رنگ های آنتراکینون و رنگ های فتالوسیانین نیز کاربردهای خود را به عنوان کروموفورهای مصنوعی دارند.

کاربرد کروموفورها در منسوجات حوزه وسیع و متنوعی است که رنگرزی و فرآیندهای چاپ را نیز در بر می گیرد. ازکروموفورها برای رنگرزی الیاف طبیعی (پنبه، ابریشم، پشم) و الیاف مصنوعی (پلی استر، نایلون) استفاده می شود. همچنین در تکنیک های مختلف چاپ مانند چاپ صفحه، چاپ دیجیتال و چاپ بلوک نیز کاربرد دارد.

در پیشرفت هایی که در حوزه تکمیل منسوجات صورت گرفته، استفاده از کروموفورها در تولید منسوجات هوشمند و همچنین با ویژگی محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش، خواص ضد میکروبی و ضد شعله است.

محققان تلاش می کنند که علاوه بر ثبات و پایداری در روش های مختلف رنگرزی، کروموفورهای تولید شده، سازگار با محیط زیست بوده و مشکلات زیست محیطی و پساب به دنبال نداشته باشند.

مکانیسم استفاده از کروموفور برای چاپ و رنگرزی

استفاده از کروموفورها برای چاپ یا رنگرزی، شامل جذب و بازتاب نور توسط ساختارهای شیمیایی خاص درون کروموفورها است. هنگامی که پارچه ای با محلول حاوی کروموفور رنگ یا چاپ می شود، کروموفورها خود را به الیاف پارچه می چسبانند. در این حالت، با تابش نور به سطح منسوج، کروموفورها طول موج های خاصی از نور را جذب کرده و بقیه را منعکس می کنند. طول موج های جذب شده برای چشم انسان قابل مشاهده نیستند، در حالی که طول موج های منعکس شده به عنوان رنگ درک می شوند.

رنگ خاص تولید شده توسط کروموفور به ساختار شیمیایی و طول موج نوری که جذب می کند بستگی دارد. به عنوان مثال، کروموفوری که عمدتا نور آبی را جذب می کند، برای چشم انسان آبی به نظر می رسد، در حالی که کروموفوری که عمدتا نور قرمز را جذب می کند، قرمز به نظر می رسد.

در چاپ، کروموفورها به صورت الگو یا طرح، با استفاده از تکنیک های مختلف مانند چاپ روی صفحه یا چاپ دیجیتال روی پارچه می چسبند و الگوی رنگی مورد نظر را ایجاد می کنند. اما در رنگرزی، پارچه در محلولی حاوی کروموفورها غوطه ور می شود و به کروموفورها اجازه می دهد تا به الیاف نفوذ کرده و به طور دائم به هم متصل شوند.

به طور کلی، مکانیسم کروموفورها برای چاپ و رنگرزی شامل جذب و انعکاس نور توسط ساختارهای شیمیایی خاص و در نتیجه درک رنگ روی پارچه است.

تنظیم و گردآوری: فائزه مولا