دانشگاه آزاد اسلامي
واحد تهران مرکزي
دانشکده علوم پايه گروه شيمي
(M.SC) پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد
گرايش :آلي
عنوان :
Ab initio طراحي چند رنگ آلي نيتروژن دار و بررسي توتومري درآنها بر اساس محاسبات مکانيک کوانتومي
استاد راهنما:
دکتر مرجانه صمدي زاده
استاد مشاور:
دکتر نادر زبرجد شيراز
پژوهشگر:
سيده مارال مير مجلسي
پاييز 92
تقديم به :
اين پايان نامه را به همسر عزيزم تقديم مي کنم.
تشکر و قدرداني:
از مادر عزيزم که در تمامي مراحل زندگي مرا همراهي فرمودند، تشکر و قدرداني مي نمايم.
تعهد نامه اصالت پايان نامه كارشناسي ارشد
اينجانب سيده مارال مير مجلسي دانش آموخته مقطع کارشناسي ارشد نا پيوسته به شماره دانشجويي.90230100006 در رشته شيمي الي که در تاريخ 1392\11\06
از پايان نامه خود تحت عنوان :طراحي چند رنگ آلي نيتروژن دار و بررسي توتومري در آنها بر اساس محاسبات مکانيک کوانتومي Ab initio.
با کسب نمره 19.5 و درجه عالي دفاع نموده ام بدينوسيله متعهد مي شوم :
1- اين پايان نامه حاصل تحقيق و پژوهش انجام شده توسط اينجانب بوده و در مواردي که از دستاوردهاي علمي و پژوهشي ديگران ( اعم از پايان نامه ، کتاب ، مقاله و … ) استفاده نموده ام ، مطابق ضوابط و رويه هاي موجود ، نام منبع مورد استفاده و ساير مشخصات آن را در فهرست ذكر و درج کرده ام .
2- اين پايان نامه قبلاً براي دريافت هيچ مدرک تحصيلي ( هم سطح ، پايين تر يا بالاتر ) در ساير دانشگاهها و موسسات آموزش عالي ارائه نشده است .
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصيل ، قصد استفاده و هرگونه بهره برداري اعم از چاپ کتاب ، ثبت اختراع و … از اين پايان نامه داشته باشم ، از حوزه معاونت پژوهشي واحد مجوزهاي مربوطه را اخذ نمايم .
4- چنانچه در هر مقطع زماني خلاف موارد فوق ثابت شود ، عواقب ناشي از آن را بپذيرم و واحد دانشگاهي مجاز است با اينجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصيلي ام هيچگونه ادعايي نخواهم داشت .
نام و نام خانوادگي : سيده مارال مير مجلسي
تاريخ و امضاء :
بسمه تعالي
درتاريخ :1392/11/06
دانشجوي كارشناسي ارشد خانم سيـــــــده مـــا را ل مير مجلـــسي از پايان نامه خود دفاع نموده وبا نمره 19.5 بحروف نوزده ونيم و با درجه عالي مورد تصويب قرار گرفت .

امضاء استاد راهنما

بسمه تعالي
دانشكده علوم پايه
( اين چكيده به منظور چاپ در پژوهش نامه دانشگاه تهيه شده است )
نام واحد دانشگاهي : تهران مركزي كد واحد: 101كد شناسايي پايان نامه:10130308921007عنوان پايان نامه کارشناسي ارشد : : طراحي چند رنگ آلي نيتروژن دار و بررسي توتومري در آنها بر اساس محاسبات مکانيک کوانتومي ab initio نام و نام خانوادگي دانشجو : سيده مارال مير مجلسي
شماره دانشجوئي : 90230100006
رشته تحصيلي : شيمي- گرايش آليتاريخ شروع پايان نامه : نيمسال دوم 91-92
تاريخ اتمام پايان نامه : 06/11/1392استاد / استادان راهنما : دکتر مرجانه صمدي زاده
استاد / استادان مشاور: دکتر نادر زبر جد شيرازآدرس و شماره تلفن : تهران – ستارخان – پاتريس لومومبا – خ شهيد ملکوتي – کوکب شمالي – کوچه صالح – پلاک 4 – 88279846چكيده پايان نامه (شامل خلاصه، اهداف، روش هاي اجرا و نتايج به دست آمده) :
شيمي محاسباتي با به کاربردن نرم افزارهاي کامپيوتري ابزاري قدرتمند در طراحي مولکولهايي با خواص ويژه است.شيمي محاسباتي عبارتي عمومي و کلي است که گستره وسيعي از روش هاو تقريب هارا دربر ميگيرد وبا استفاده از قوانين رياضي و تئوري به حل مسائل شيمي مي پردازد.امروزه روش هاي محاسبات مکانيک کوانتومي به عنوان ابزاري مهم در پژوهش هاي مربوط به علم شيمي به شمار مي آيند زيرا توانايي محاسبه و پيش بيني انرژي ساختارو ساير ويژگي هاي موجود در مولکول را دارا هستند.اين محاسبات کمک مي کنند تا دريابيم چه مواردي براي بررسي آزمايشگاهي مناسب اند يا چه مولکولهايي پايداري لازم را براي تشکيل دارند.در واقع شيمي محساباتي شاخه اي از علم در ارتباط با تحليل و اندازه گيري خواصي از مواد مي باشد که به طور مستقيم قابل اندازه گيري نيستند و از علومي نظير رياضي و آمار سود مي برند در حاليکه نتايج بدست آمده کامل کننده اطلاعات بدست آمده از آزمايش هاي شيميايي هستند.
از جمله نرم افزارها و برنامه هايي که در اين تحقيق از آن ها استفاده مي شود ، نرم افزار گوسين 98 و Gaussview وChemoffice است.
توسط اين نرم افزارها ، طراحي چند دسته از رنگ هاي آلي نيتروژن دار و بررسي توتومري آن ها همچنين تاثيرگروههاي اکسوکروم از لحاظ پايداري بر اساس محاسبات مکانيک کوانتومي Ab initio صورت مي گيرد توسـط دستــــــور DFT ، opt+freq ، HF/6-31G مقدار انرژي تشــکيل HF ،انرژي HOMO بالاترين اوربيتال مولکولي پر ( اوربيتالي که به عنوان دهنده ي الکترون عمل مي کند که همان خارجي ترين لايه پر با بالاترين سطح انرژي ) ، سطح انرژي LUMO پايين ترين اوربيتال مولکولي خالي ( اوربيتالي که به عنوان گيرنده ي الکترون عمل مي کند ، داخلي ترين لايه خالي با کمترين سطح انرژي ) و ?max و اختلاف H-L محاسبه ميشود.
به همين منظور ابتدا ساختار ترکيبات مورد نظر رسم شده است و سپس با استفاده از نرم افزارهاي مربوطه و همچنين انتخاب دستور مناسب ، ساختار ترکيبات بهينه مي شود و در گام بعدي ، مقدار انرژي تشکيل ترکيبات بررسي مي گردد .
هدف از اين تحقيق ، بررسي تاثير هترواتم ها در پايداري رنگ هاي آلي است ، به اين صورت که با جايگزيني چند هترواتم و محاسبه HF براي توتومري هر مولکول ميزان پايداري توتومري ها تعيين شود.
نظراستادراهنما براي چاپ درپژوهش نامه دانشگاه مناسب است مناسب نيست تاريخ وامضا :
فهرست عناوين صفحه
فصل اول: رنگ………………………………………………………………………………………………………………….1
1-1 مقدمه رنگ……………………………………………………………………………………………………………….. 2
1-1-1 تاريخچه و تئوري رنگ و نحوه ي ايجاد آن ……………………………………………………………..3
2-1-1 تعريف کلي رنگ………………………………………………………………………………………………….4
2-1 مباني شيمي رنگ…………………………………………………………………………………………………… 4
1-2-1 تعريف فيزيکي رنگ ……………………………………………………………………………………………..4
2-2-1 رنگ و طيف رنگي………………………………………………………………………………………………. 5
3-1 تعريف چند اصطلاح مهم در زمينه ي شيمي رنگ………………………………………………………..7
1-3-1 کروموفور………………………………………………………………………………………………………………7
2-3-1 اکسوکروم………………………………………………………………………………………………………….. 7
3-3-1 کروموژن……………………………………………………………………………………………………………….9
4-1 اوربيتال هاي مولکولي و ارتباط آن ها با رنگ……………………………………………………………….9
1-4-1 انتقال الکتروني……………………………………………………………………………………………………….9
2-4-1 انواع انتقالات الکتروني……………………………………………………………………………………… 11
1-2-4-1 انتقالات *? ? ?………………………………………………………………………….. 11
2-2-4-1 انتقالات *? ? n …………………………………………………………………………………………..12
3-2-4-1 انتقالات *? ? n و *? ? ? ………………………………………………………………………….12
3-4-1 ارتباط ساختار مولکول با ?max…………………………………………………………………………………………………………13
5-1 کلي ترين دسته بندي رنگ ها…………………………………………………………………………………..14
6-1 اجزاي رنگ…………………………………………………………………………………………………………..15
1-6-1 رنگدانه ها …………………………………………………………………………………………………………15
1-1-6-1 رنگدانه و خواص فيزيکي آن ها……………………………………………………………………….. 16
2-6-1 رزين يا پليمر………………………………………………………………………………………………………17
3-6-1 حلال…………………………………………………………………………………………………………………17
4-6-1 مواد افزودني………………………………………………………………………………………………………17
7-1 رنگدانه و رنگينه ، پيگمان………………………………………………………………………………………..17
8-1 دسته بندي رنگها………………………………………………………………………………………………………18
1-8-1 دسته بندي شيميايي رنگ ها……………………………………………………………………………………18
9-1 طبقه بندي رنگ ها بر اساس کاربرد…………………………………………………………………………..18
1-9-1 رنگهاي اسيدي……………………………………………………………………………………………………..18
2-9-1 رنگهاي بازي………………………………………………………………………………………………………19
3-9-1 رنگ هاي گوگردي………………………………………………………………………………………………20
4-9-1 رنگ هاي حلال………………………………………………………………………………………………….21
5-9-1 رنگ هاي راکتيو…………………………………………………………………………………………………21
6-9-1 رنگ هاي مستقيم……………………………………………………………………………………………….22
7-9-1 رنگ هاي کلوئيدي……………………………………………………………………………………………..23
8-9-1 رنگ هاي ديسپرس………………………………………………………………………………………………23
9-9-1 رنگ هاي اينگرين……………………………………………………………………………………………….23
10-9-1 رنگ هاي دندانه اي يا کمپلکس فلزي…………………………………………………………………..24
1-10-9-1 روش هاي دندانه زدن الياف…………………………………………………………………………..24
11-9-1 رنگ هاي خمي…………………………………………………………………………………………………24
12-9-1 رنگ هاي آزو……………………………………………………………………………………………………25
فصل دوم :مباني نظري شيمي محاسبات و معرفي نرم افزار هاي محاسباتي شيمي…………26
1-2 مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………27
2-2 معرفي………………………………………………………………………………………………………………….. 27
3-2 کاربردهاي کلي کامپيوتر…………………………………………………………………………………………..27
4-2 عملکرد کامپيوتر……………………………………………………………………………………………………..28
5-2 مزاياي کامپيوتري……………………………………………………………………………………………………28
6-2 سه دسته از علم کامپيوتر…………………………………………………………………………………………..28
7-2 شيمي محاسباتي………………………………………………………………………………………………………29
1-7-2 مزاياي شيمي محاسباتي………………………………………………………………………………………..30
8-2 بررسي روش هاي محاسباتي……………………………………………………………………………………..30
1-8-2 روشهاي مکانيک مولکولي……………………………………………………………………………………..30
2-8-2 روش هاي نيمه تجربي………………………………………………………………………………………….31
9-2 معرفي چند نرم افزار محاسباتي………………………………………………………………………………….31
1-9-2 نرم افزار هايپرکم ……………………………………………………………………………………………………….31
2-9-2 معرفي نرم افزار کم آفيس…………………………………………………………………………………….32
1-2-9-2 کاربرد نرم افزار کم آفيس…………………………………………………………………………………32
3-9-2 معرفي نرم افزارهاي Mopac ……………………………………………………………………………33
4-9-2 نرم افزار Gaussian 98w ………………………………………………………………………………….33
5-9-2 معرفي نرم افزار Gaussview ……………………………………………………………………………..34
10-2 روش هاي محاسباتي و معرفي نرم افزار هاي مورد استفاده دراين پروژه …………………………..34
11-2 مطالعه بر روي مشخصات مولکول در گوسين …………………………………………………………….36
12-2 آشنايي بيشتر با نرم افزا رw Gaussian 98 ………………………………………………………36
13-2 پيش بيني خواص مولکولي حاصل شده از گوسين ………………………………………………………37
14-2 روش هاي مکانيک مولکولي و روش هاي نيمه تجربي ………………………………………………..38
15-2 روش هاي محاسباتي initio Ab ………………………………………………………………………….38
1-15-2 توانايي روش initio Ab ………………………………………………………………………………….39
2-15-2 مراحل اجراي يک محاسبه با روش initio Ab ……………………………………………………..39
3-15-2 شرايط روش initio Ab…………………………………………………………………………………….40
4-15-2 نکات قوت روش initio Ab …………………………………………………………………………….41
فصل سوم : رنگهاي آزو………………………………………………………………………………………… 42
1-3 مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………43
2-3 روش کلي در ساختن رنگ هاي آزو……………………………………………………………………………43
3-3 فرآيند تهيه رنگ هاي آزو…………………………………………………………………………………………..44
1-3-3 تشکيل رنگ آزو در نيمه ي فرآيند دي آزوتاسيون…………………………………………………….44
1-1-3-3 دي آزوتاسيون مستقيم……………………………………………………………………………………….45
2-1-3-3 دي آزوتاسيون غير مستقيم………………………………………………………………………………….45
3-1-3-3 دي آزوتاسيون آمين هاي با خاصيت بازي ضعيف………………………………………………….45
4-1-3-3 دي آزوتاسيون در حلال آلي ……………………………………………………………………………..45
2-3-3 تشکيل رنگ ازو در نتيجه ي فرآيند جفت شدن…………………………………………………………45
1-4-3 رنگ هاي مونو آزو……………………………………………………………………………………………….46
2-4-3 رنگ هاي دي آزو…………………………………………………………………………………………………46
3-4-3 رنگ هاي تترا آزونيوم……………………………………………………………………………………………47 5 -3 اصول شيمي رنگ……………………………………………………………………………………………………47
6-3 تاثير کروموفور براي ساخت رنگ………………………………………………………………………………48
7-3 اهميت سيستم ترکيبي در توليد رنگ……………………………………………………………………………49
8-3 اثر جانشيني در رنگ آزو……………………………………………………………………………………………49
9- 3 تاملي در طراحي رنگ…………………………………………………………………………………………….50
10-3 بررسي سم شناسي رنگ………………………………………………………………………………………….52
11-3 ارتباط ويژگي ساختاري………………………………………………………………………………………….53
12-3 رنگ مو……………………………………………………………………………………………………………….55
13-3 Triazole ……………………………………………………………………………………………………………57
14-3 Pyrazoline ………………………………………………………………………………………………………..58
فصل چهارم بخش تجربي و نتيجه گيري…………………………………………………… 59
1-4 : مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………..60
2-4 روش کار ……………………………………………………………………………………………………………….61
3-4 رنگ هاي آلي نيتروژن داري که در اين پروژه به انان پرداخته شده است …………………………..61
1-3-4 : تغييرات قسمت اول ……………………………………………………………………………………………62
2-3-4 : بحث ونتيجه گيري جدول 1-4……………………………………………………………………………. 64
3-3-4 : تغييرات مولکول TAZ در قسمت دوم ………………………………………………………………..64
4-3-4 : نتايج تجربي جدول 2-4 …………………………………………………………………………………….68
5-3-4: تغييرات مولکول TAZ در قسمت سوم ……………………………………………………………………69
6-3-4 : نتايج جدول 3-4 ……………………………………………………………………………………………….72
7-3-4 : نتايج جدول 4-4 ………………………………………………………………………………………………..76
8-3-4 : نتايج جدول 5-4 ………………………………………………………………………………………………79
9-3-4 : بررسي تاثير کروموفور NO2 برروند پايداري و ?max در رنگ مو …………………………….80
10-3-4 : نتايج بدست آمده از جدول 6-4 …………………………………………………………………………83
11-3-4 : بررسي تاثير کروموفور CN برروند پايداري و ?max در رنگ مو…………………………… 84
12-3-4 : نتايج جدول 7-4 ………………………………………………………………………………………………86
13-3-4 : بررسي تاثير کروموفور OCH3 برروند پايداري و ?max در رنگ مو ……………………87
14-3-4 : نتايج بدست آمده از جدول 8-4 ………………………………………………………………………….90
15-3-4 : بررسي تاثير کروموفور HC=NH برروند پايداري و ?max در رنگ مو …………………..91
16-3-4 : نتايج تجربي بدست آمده از جدول 9-4……………………………………………………………… 93
17-3-4 : رنگ مو قسمت اول ………………………………………………………………………………………….98
18-3-4 : نتايج تجربي بدست آمده از جدول 13-4…………………………………………………………….. 99
19-3-4 : رنگ مو قسمت دوم ………………………………………………………………………………………..100
20-3-4 : نتايج جدول 14-4…………………………………………………………………………………………. 101
21-3-4 : رنگ مو قسمت سوم………………………………………………………………………………………. 102
22-3-4 :نتايج جدول 15-4 ……………………………………………………………………………………………103
فهرست شکل ها صفحه
شکل : 1-1 ساختار مولکولي بنزن……………………………………………………………………………………… 3
شکل 2-1 : محدوده نور مرئي…………………………………………………………………………………………….. 4
شکل 3-1 : دايره رنگ……………………………………………………………………………………………………… 6
شکل 4-1 : نور هاي جذب شده و منعکس شده در محدوده ي طول موج هاي مرئي………………… 6
شکل 5-1 : ساختار متيل نارنجي…………………………………………………………………………………………..8
شکل 6-1 : ساختار آزوبنزن………………………………………………………………………………………………..8
شکل 7-1 : مثال هايي از مواد رنگي قوي………………………………………………………………………………9
شکل 8-1 : نمايش اوربيتال هاي مولکولي…………………………………………………………………………..10
شکل 9-1 : انتقالات الکتروني…………………………………………………………………………………………….12
شکل 10-1 : طيف طول موج ناحيه مرئي……………………………………………………………………………..13
شکل 11-1 : طول موج نواحي مختلف………………………………………………………………………………..14
شکل 12-1 : دسته بندي رنگ…………………………………………………………………………………………….14
شکل 13-1 : انواع شناساگرهاي اسيدوباز……………………………………………………………………………20
شکل 14-1 : رنگ گوگردي……………………………………………………………………………………………….20
شکل 1-3 : ساختار کلي رنگ هاي آزو…………………………………………………………………………..43
شکل 2-3 : نمونه هايي از گروه هاي کروموفوري موجود در رنگ هاي آلي………………………………48
شکل 3-3 : اهميت داشتن يک کروموفور در يک سيستم کونژوگه Conjugated………………………48
شکل 4-3 : سيستم هاي مزدوج در ويتامين A ( بالا ) و ?- کاروتن ( پايين )………………………….. 49
شکل 5-3 : تاثير رنگ زايي کروموفورها……………………………………………………………………………. 49
شکل 6- 3 :شکل گيري يون Nitrenium از متابوليسم آمين هاي آروماتيک………………………….. 51
شکل 7-3 : چند ترکيب تجاري براي رنگ هاي آزو …………………………………………………………….51
شکل 8- 3 :کاهش برش مستقيم 28 قرمز ( 1 ) با استفاده از يک آنزيم ردوکتاز………………………..52
شکل 9-3 : نمونه هايي از آمين هاي آروماتيک سرطان زا و ترکيبات آزو…………………………………53
شکل 10-3 : مسيرهاي واکنشي براي nitrenium يون 9 متابوليت از ايزومر آزوبنزن azobenzen.54
شکل 11-3 : سرطان زا ( 12 ) و غير سرطان زا ( 13 ) محلول در آب monoAZO…………………54
شکل 12-3 : اکسيداسيون تشکيل رنگ مو از واسطه هاي اوليه ( X=O , NH ) ………………………56
شکل 13-3 : تشکيل رنگ موي اکسيدي از جفت شونده و ماده مياني اوليه……………………………..56
شکل 14-3 : مثال هايي از ساختار هاي رنگ مو هاي غير دايمي ……………………………………………57
شکل 1-4:فايل out تغييرات دسته اول …………………………………………………………………………….63
شکل 2-4 : فايل OUT تغييرات دسته دوم ………………………………………………………………………… 67
شکل 3-4 : فايل OUT تغييرات دسته سوم ………………………………………………………………………. 71
شکل 4-4: فايلOUT پيرازولين………………………………………………………………………………………… 76
شکل5-4: فايل OUT رنگ مو دايمي…………………………………………………………………………………… 79
شکل 4-6 : فايل OUT رنگ مو دايمي با کروموفور NO2 …………………………………………………….82
شکل 7-4 : فايل OUT رنگ مو دايمي با کروموفور CN………………………………………………………. 85
شکل 8-4 : فايل OUT رنگ مو دايمي با کروموفور OCH3 …………………………………………………..89
شکل 9-4 : فايل OUT رنگ مو دايمي با کروموفور HCNH ……………………………. 93……………….
فهرست جداول صفحه
جدول 1-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 63…………………………..
جدول 2-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 68………………………….
جدول 3-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 72……………………………
جدول 4-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 76…………………………….
جدول 5-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 79……………………………
جدول 6-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 82……………………………
جدول 7-4: انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 86……………………………..
جدول 8-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 89……………………………..
جدول9-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 93……………………………..
جدول 10-4: انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max?:95……………………………
جدول 11-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 96…………………………..
جدول 12-4 :انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 97…………………………….
جدول 13-4 :انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 99……………………………
جدول 14-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 101………………………..
جدول 15-4 : انرژي تشکيل HF ، سطح انرژي LUMO ، HOMO ، max? 103………………………….
فصل اول

رنگ
مقدمه رنگ
رنگها ترکيبات آلي سنتزي هستند که توليد آنها افزايش يافته و به عنوان رنگ دهنده ها ، در بسياري از صنايع نساجي ، پلاستيک سازي ، کاغذ سازي و … استفاده مي شوند .
رنگ از ابتداي تاريخ زندگي انسان وجود داشته ، بطوريکه انسان هاي اوليه و غارنشين از خاک سرخ به عنوان رنگ قرمز و از گل سفيد به عنوان رنگ سفيد و از زغال سياه به عنوان رنگ سياه استفاده مي نمودند. استفاده از رنگ در ابتداي تمدن انسان به منظور جذابيت آن و آراستگي بوده و گفته مي شود قدمت آن به پنج هزار سال قبل از مسيح بر ميگردد . مصريان اولين سازندگان رنگ آبي از سولفات مس و رنگ قرمز از سولفور جيوه و رنگ زرد از آرسنيک بوده اند.
1-1-1 تاريخچه و تئوري رنگ و نحوه ي ايجاد آن
اولين رنگ سنتز شده توسط ويليام هنري پرکين ، يک دانشجوي شيمي درکالج رويان کشــف شد. او سعي به ساختار دارو گوئينين از آنيلين ( يک ماده شيميايي يافت شده در زغال سنگ ) داشت که در نتيجه آزمايش ، يک لجن سياه و ضخيم توليد شد. او سعي کرد که بتواند ابريشم را با آن رنـگ کند که رنـــگي پايدار و مقاوم در برابر شويش و از بين رفتن در برابر نور بود.
پس از کشف اولين رنگ سنتزي در اواسط سده نوزدهم ، شيميدانان به کشف چگونگي ارتباط بين رنگينه و ساختار مولکولي آن علاقه مند شدند . در سالهاي اخير موضوع منشأ رنگ در مولکولهاي آلي به صورت علمي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته است . علاوه بر آن شناخت رنگ و نحوه ي ايجاد آن ها ، امروزه اهميت فراواني در طراحي روز داد.
در اولين روز هاي پيدايش شيمي سنتز رنگ ، دانش بسيار کمي در مورد ساختار مولکول هاي آلي وجود داشت . پس از پيشنهاد فرضيه ککوله در مورد ساختار بنزن ، شيمي آلي پيشرفت سريعي داشت. رنگهاي جديد در بازار از روش تحقيقي ککوله ، روي ساختار مولکولي بنزن در سال 1868 بوجود آمده اند.
شکل : 1-1 ساختار مولکولي بنزن
در اوايل قرن بيستم مواد رنگي سنتزي با رنگهاي طبيعي کاملا جايگزين شدند
2-1-1 تعريف کلي رنگ
صنايع رنگ سازي و رنگرزي قدمتي ديرينه دارند . بسياري از محصولات مصرفي در جوامع پيشرفته به منظور داشتن ظاهر زيبا با جذابيت عمومي و قابل قبول براي مصرف نهايي رنگ مي شوند .
رنگها از نظر کاربردي متنوع اند و ممکن است آن ها را بر حسب ساختمان شيميايي يا روش هاي کاربرد مثلاً در رنگرزي و چاپ مصنوعات نساجي ، رنگرزي پلاستيک و غيره طبقه بندي نمود ولي هيچ يک از روش هاي طبقه بندي رنگ ها ، کاملا رضايت بخش نيست ، زيرا ممکن است چند نوع رنگ که خصوصيات فيزيکي و نيز نحوه کاربرد مختلفي دارند ، داراي ساختار شيميايي يکساني باشند. ولي به هر حال اسـتفاده از هر کدام از اين طبقه بنـدي ها به نوبـه خود در بسـياري از شـرايط لازم و کمک کننـده مي باشند.
مباني شيمي رنگ
1-2-1 تعريف فيزيکي رنگ
رنگ تغييري از علائمي است که به چشم ميرسد هنگاميکه پرده شبکيه چشم به وسيله تشعشعات الکترومغناطيس در محدوده ي طول موج 380 تا 760 نانومتر تحريک مي شوند . نور سفيد يعني تشعشعاتي که تقريبا به طور يکنواخت در محدوده هاي 400 تا 800 نانومتر گسترده شده است. چنانچه از منشوري عبور کند به طيف هاي رنگي تجزيه مي شود ، به طوريکه هفت رنگ : بنفش ، آبي ، نيلي ، سبز ، زرد ، نارنجي ، قرمز ، به راحتي در آن مي توان تشخيص داد .
شکل 2-1 : محدوده نور مرئي
زماني که يک سطح رنگي به وسيله ي يک شعاع نور سفيد روشن مي گردد ، تعداد معيني از طول موج ها جذب مي شوند در نور منعکس شده که فاقد تشعشعات جذب شده است ، روي قسمت شبکيه چشم اثر گذاشته و جسم رنگي ديده مي شود .
نور مرئي شامل امواج الکترومغناطيسي مي باشد که توسط سيستم بينايي انسان قابل درک ميباشد . اين امواج قسمت کوچکي از امواج الکترومغناطيس را تشکيل مي دهند.
چشم انسان نوري را که از اجسام منعکس مي شود احساس ميکند و قادر به درک رنگ واقعي اجسام نيست . مواد رنــگي قسمتي از رنگ هاي طبيعي نور سفيد را جـذب ميکنند و باقيمانده را منعکـس مي نمايند که طول موج نور جذب شده به ساختمان ماده رنگي بستگي دارد .
اگر ماده مورد نظر تمام نورهايي را که طول موجشان در ناحيه ي مرئي قرار دارد ، منعکس نمايد به رنگ سفيد ديده مي شود و اگر ماده اي تمامي اين طول موج ها را جذب نمايد به رنگ سياه ديده خواهد شد.
2-2-1 رنگ و طيف رنگي
رنگ واقعي يک جسم در حقيقت بر اساس نور هاي جذب شده تعيين ميگردد . اين چشم انسان نور هاي منعکس شده را مشاهده مي کند. اگر نور جذب شده به وسيله يک جسم را به نور منعکس شده از آن اضافه نمائيم نور سفيد به دست مي آيد. به اين علت به اين جفت نور ها ، نور هاي مکمل گفته مي شود .
اگر نور واقعي يک جسم را با رنگ مشاهده شده ي آن مخلوط نمائيم نور سفيد به دست مي آيد . در دايره رنگ ، رنگ هاي متقابل رنگ هاي مکملي هستند که از مخلوط شدن آن ها ، رنگ سفيد به دست مي آيد.
براي مثـال موادي که به رنگ قرمز ديده مي شوند ، طول موج هـاي بلندتر ، نور سفيـد را منعکـس مي کنند و طول موج هاي پايين تر را در ناحيه ي آبي جذب مي کنند و مواد آبي رنگ ، طول موج هاي پايين تر را منعکس کرده و طول موج هاي بلند تر را در ناحيه قرمز جذب مي کنند.
شکل 3-1 : دايره رنگ

شکل 4-1 : نور هاي جذب شده و منعکس شده در محدوده ي طول موج هاي مرئي
وقتي تابش چند فام مانند نور مرئي به يک محيط که داراي ذرات اتمي و مولکولي مي باشد را بتابانيم اين ذرات مي توانند با جذب انرژي اين تابش به صورت بر انگيخته در بيايند. در ذراتي که به صورت اتمي مي باشند بر اثر جذب اين تابش ، الکترون هاي لايه ظرفيت آن ها بر انگيخته مي گردد و چون تعداد حالت هاي انرژي ( تراز هاي انرژي ) در اتم ها کم است تعداد محدودي از فرکانس ها توسط عمل جـذب حـذف مي شوند و طيف هاي جذبي عموماً از تعداد کمي پيـک هاي باريــک تشکيل مي شوند . اما جذب در مولکول هاي چند اتمي پيچيده مي باشد ، زيرا براي هر حالت انرژي ، انتقال الکتروني در مولکول چندين حالت انرژي ارتعاشي و براي هر حرکت ارتعاشي حالت هاي انرژي چرخشي فراواني وجود دارد . در نتيجه تراز هاي انرژي به شدت افزايش مي يابند.
طيف هاي مولکولي اغلب توسط نوار هاي جذبي خاصي مشخص مي شوند که اين نوار ها ممکن است گستره وسيعي از طول موج هاي مختلف را شامل شوند . جذب به وسيله ي مولکول ها در ناحيه ماوراي بنفش و مرئي در نتيجه ي انتقالات الکترون هاي پيوندي و جفت الکترون هاي ناپيوندي اتمهايي مثل نيتروژن ، اکسيژن ، گوگرد و هالوژن ها مي باشند . با توجه به اينکه تعداد زيادي حالت هاي ارتعاشي و چرخشي براي هر حالت الکتروني وجود دارد ، طيف هاي مولکولي پيچيده مي شوند .
تعريف چند اصطلاح مهم در زمينه ي شيمي رنگ
1-3-1 کروموفور
مولکول رنگ تشکيل شده است از يک هسته غير اشباع با گروه هاي معيني که به آن ها کروموفور گفته مي شود از قبيل :
گروه آزو -N=N-
گروه کتون -C=O-
گروه نيتروزو -N=O-
2-3-1 اکسوکروم
يک يا چند گروه مشخصي که به پايه رنگ ، استخلاف شده است و عمل آن ها شدت بخشيدن به رنگ و افزايش تمايل جذب رنگي به ماده مي باشد را اکسوکروم مي نامند .
مثال هايي از گروه هاي اکسوکروم عبارتند از :
-OCH3 , -OH , -NR2 , -NHR , -COOH , -SO3H , -NH2

شکل 5-1 : ساختار متيل نارنجي
به عنوان مثال ، مولکول زير را در نظر مي گيريم
شکل 6-1 : ساختار آزوبنزن
حضور گروه کروموفور -N=N سبب مي شود که مولکول فوق يک کروموژن ( داراي خصوصيات رنگي ) باشد اما به دليل عدم وجود گروه هاي اکسوکروم اين ماده به عنوان رنگ قابل استفاده نيست ، چون قدرت رنگي لازم را ندارد .
راهکاراين مشکل جايگزين کردن استخلافهاي اکسوکروم در ايجاد آميني ها روي حلقه هاي آروماتيک است و سبب ميشود اين ترکيب کروموژن به يک ماده ي رنگي خيلي قوي تبديل شود .
نارنجي = 470 nm max?
زرد 450 nm= max?
شکل 7-1 : مثال هايي از مواد رنگي قوي
3-3-1 کروموژن
ترکيب آلي آروماتيک حاوي گروه هاي کروموفوري را کروموژن مي نامند.
اوربيتال هاي مولکولي و ارتباط آن ها با رنگ
1-4-1 انتقال الکتروني
اوربيتال هاي مولکولي از همپوشاني اوربيتال هاي اتمي ، اتم هاي تشکيل دهنده يک مولکول به وجود مي آيند و انواع مختلفي از نظر خواص ، شکل و سطح انرژي دارند.
شکل 8-1 : نمايش اوربيتال هاي مولکولي
قرار گرفتن الکترون در اوربيتال هاي پيوندي (B) باعث تشکيل پيوند بين اتمها مي گردد در حاليکه قرار گرفتن الکترون در اوربيتال هاي ضد پيوندي (AB) باعث تضعيف پيوند ميگردد. اوربيتال هاي مولکولي که در تشکيل پيوند و يا تضعيف آن شرکت نمي کنند به نام اوربيتال هاي غير پيوندي (NB) ناميده مي شوند و در ارتباط با اتم هايي مثل O و S و N و هالوژن ها در مولکول مي باشد که داراي الکترون هاي جفت شده در لايه ظرفيت خود هستند که در تشکيل پيوند شرکت نمي کنند . اين سطوح انرژي نيز کوانتائي مي باشد.
انتقال الکترون بين اوربيتال هاي مولکولي نتيجه جذب يا نشر نور توسط اين مولکول ها مي باشند و طول موج هاي حذف شده يا منتشر يافته مشخص کننده اختلاف انرژي موجود بين اوربيتال هاي مولکولي مي باشند.
همانطور که شکل اوربيتال هاي مولکولي استباط مي گردد ، انتقال الکترون از يک اوربيتال مولکولي غير پيوندي به اوربيتال مولکولي ضد پيوندي ? ، احتياج به يک نور يا موج الکترومغناطيس با انرژي کم دارد و بر عکس . انتقال الکتروني از اوربيتال مولکولي پيوند ? به *? به يک موج با انرژي بيشتر نياز دارد .
انتقال الکتروني *? ? ? و *? ? ? به انرژي بالايي نياز دارند که اساسا به وسيله تابش ماوراي بنفش تأمين مي گردد .
انتقالات *? ? n در طيف يک ماده در طول موج هاي بلندتري نسبت به *? ? ? و يا *? ? ? روي مي دهد که اغلب در ناحيه ي مرئي مي باشد .
طيف الکتروني يک مولکول تعداد زيادي از نوار هاي جذبي را نشان مي دهد که داراي شدت هاي مختلفي هستند و به طور جزئي همپوشاني کرده اند.
در واقع هر يک از انتقال هاي الکتروني فقط به يک نوار خاص مربوط است ، اما تغييرات همزمان در حرکت هاي ارتعاشي و چرخشي نيز بر روي اين انتقالات الکتروني اثر مي گذارد و در نتيجه به وضوح مشخص و ظاهر نمي شوند.
2-4-1 انواع انتقالات الکتروني
1-2-4-1 انتقالات *? ? ?
در اين انتقالات يک الکترون در اوربيتال هاي پيوندي ? با جذب تابش الکترومغناطيس به اوربيتال هاي ضد پيوندي *? انتقال پيدا مي نمايد . انرژي لازم براي اين انتقال زياد و با فرکانس هاي امواج الکترومغناطيس در ناحيه ماورا بنفش مطابقت دارد . با توجه به اينکه حداکثر جذب مربوط به انتقالات الکتروني *? ? ? هيچ وقت در ناحيه مرئي اتفاق نمي افتد ، در نتيجه در ترکيباتي که چنين انتقالاتي وجود داشته باشد ، رنگي ديده نمي شود .
2-2-4-1 انتقالات *? ? n
در مولکول هايي که فقط پيوند ? دارند و حاوي اتم هايي با جفت الکترون هاي غير پيوندي مي باشند اين انتقالات ديده مي شوند . انتقال *? ? n به انرژي کمتر از انتقال کمتر از *? ? ? نياز دارد . اما اين نوع انتقال نيز در ناحيه ماوراي بنفش قرار مي گيرد و در ناحيه مرئي طيف قرار نمي گيرد .
3-2-4-1 انتقالات *? ? n و *? ? ?
ترکيباتي که رنگي ديده مي شوند بر پايه اين گونه انتقالات الکتروني هستند ، زيرا انرژي لازم براي اين گونه انتقالات در ناحيه طيفي قرار مي گيرد که مربوط به نور مرئي و ماوراي بنفش نزديک مي باشد .
هر دو انتقال به يک گروه عامل نياز دارند که داراي پيوند غير اشباع ? باشد و در انتقال *? ? n مولکول بايد داراي اتمي با جفت الکترون هاي غير پيوندي باشد که طبق گفته هاي قبلي ، کروموفور يا رنگساز به اين اطلاق مي گردد .
موقعيت و شدت نوار جذبي يک کروموفور را مي توان با اتصال گروه هاي استخلافي به جاي هيدروژن در ساختمان اصلي کروموفور تغيير داد . ممکن است گروه هاي استخلافي خود باعث جذب تابش ماوراي بنفش نشوند ولي حضور آن ها باعث تغييري در جذب کروموفور اصلي مي گردد .
شکل 9-1 : انتقالات الکتروني
3-4-1 ارتباط ساختار مولکول با ?max
تغييرات ناچيز در ساختار مولکول يک ماده ، که نور را جذب مي کند باعث ايجاد تغييرات max? و شدت جذب نور مي گردد که اگر تغييرات مکان ?max به طرف موج هاي بلندتر باشد به اثر باتوکروميک معروف است که باعث پر رنگ شدن جسم مي گردد ( يعني رنگ از آبي به طرف ناحيه قرمز جابه جا مي شود ) و اگر تغيير مکان max? به طرف طول موج هاي کوتاه تر باشد اثر هيپسو کروميک ناميده مي شود که رنگ از ناحيه قرمز به ناحيه آبي حرکت مي کند.
شکل 10-1 : طيف طول موج ناحيه مرئي
مولکولهايي که فقط پيوند ? سيگما دارند ?E زياد است و در ناحيه مرئي جذب نشان نمي دهد و همچنين در مولکول هاي ساده اي که تعداد کمي پيوند ? دارند جذب در ناحيه ماوراي بنفش اتفاق مي افتد و ماده رنگي ديده نمي شود ، اما با زياد شدن تعداد پيوند هاي ? و مزدوج شدن آن ها با يکديگر max? به طرف طول موج هاي بلندتر جابه جا مي گردد و ماده کم کم رنگي مي گردد.

شکل 11-1 : طول موج نواحي مختلف
کلي ترين دسته بندي رنگ ها

شکل 12-1 : دسته بندي رنگ
تمامي عوامل رنگي را مي توان به دو دسته کلي تقسيم کرد:
طبيعي يا سنتزي
آلي يا معدني
امروزه ديگر استفاده از رنگ هاي آلي استخراج شده از طبيعت به شيوه ي سنتي بسيار دشوار بوده و مقرون به صرفه نيست.
اما در مقابل ، همين مواد در قياس صنعتي و در کارخانه ها به سهولت انجام پذير است . ضمنا لازم به ذکر است که هم شکل کريستالي ( بلوري ) و هم ابعاد مواد رنگي سنتز شده و صنعتي بسيار مطلوبتر از انواع طبيعي آن خواهد داشت و هم درجه خلوص آن ها بسيار بيشتر از ترکيبات استخراج شده ي مشابه از طبيعت را دارد.
نکته ي ديگر درباره ي تمايزات ميان رنگ هاي آلي و معدني است . به طور تجربي اثبات شده است که درخشش و وضوح در رنگ هاي آلي مشهود تر از رنگ هاي معدني است در حالي که ثبات نوري و حرارتي ذرات معدني پيش از ترکيبات آلي است .
البته ما در اينجا از بررسي رنگ هاي معدني صرف نظر کرده و توجه خود را معطوف به رنگ هاي
آزو به عنوان مهمترين گروه رنگ هاي آلي مي نماييم که مرتبط با پژوهش تجربي ما هستند .
اجزاي رنگ
هيچ پوششي متنوع تر از رنگ نيست و رنگ هاي صنعتي شامل چهار جزء اصلي مي باشد .
1-6-1 رنگدانه ها
ماده سياه رنگي نا محلول در آب است که شامل مواد سياه ، سفيد و رنگي بوده و موارد مورد استفاده زيادي در رنگرزي و رويه زدن را دارد . مهمترين جزء رنگ ، رنگدانه است . معمولاً رنگدانه ها علاوه بر ايجاد رنگ ، وظيفه پوشش سطحي ،



قیمت: تومان


پاسخ دهید