теория, теория о связи цвета химических соединений с их строением. Ощущение цвета возникает при воздействии на зрительный нерв электромагнитных излучений с энергией в пределах от 2,5×10-12 до 5×10-12 эрг (длины волн от 400 до 760 нм ) . При этом совместное действие электромагнитных излучений во всём указанном интервале (называется видимой частью спектра) вызывает ощущение белого света , а раздельное действие узких пучков излучений или совокупности излучений, оставшихся после изъятия (поглощения) некоторых из них,- окрашенного (см. табл.).
Длина волны поглощённого света l, нм
Поглощаемый цвет
Наблюдаемый цвет
400-535 Фиолетовый
Зеленовато-жёлтый
435-480
Синий
Жёлтый
480-490
Зеленовато-синий
Оранжевый
490-500
Сине-зелёный
Красный
500-560
Зелёный
Пурпурный
560-580
Жёлто-зелёный
Фиолетовый
580-595
Жёлтый
Синий
595-605
Оранжевый
Зеленовато-синий
605-730
Красный
Сине-зелёный
730-760
Пурпурный
Зелёный
Поглощение света веществом описывается Бугера - Ламберта - Бера законом . Окраску вещества обычно характеризуют длиной волны lмакс, при которой поглощение света максимально (см. также Поглощение света , Дополнительные цвета ) .
Смещение lмакс (при изменении строения молекулы соединения) в сторону длинных волн, сопровождающееся изменением окраски от жёлтой к красной и далее к синей и зелёной, называется углублением цвета, или батохромным эффектом; смещение lмакс в сторону коротких волн - повышением цвета, или гипсохромным эффектом. Поглощение света приводит к возбуждению электронов молекул, и, в частности, молекул окрашенного вещества в видимой области спектра (l 400-760 нм ) . Разность энергий основного и возбуждённого состояний определяет глубину окраски. Возбуждённое состояние молекул бесцветных веществ возникает при больших значениях энергий, чем в случае молекул окрашенных веществ. Из основных соотношения квантовой теории Е hc/ l[ E - энергия кванта излучения, h - Планка постоянная (6,62×10-27 эрг/сек ) , с - скорость света (3×1017 нм/сек )] следует, что энергию возбуждения молекул окрашенных веществ можно оценить в 35-70 ккал/моль.
Ц. т. возникла в связи с развитием химии синтетических органических красителей. Впервые зависимость между их строением и цветом исследовали К. Либерман и К. Гребе (1869). О. Витт предложил в 1876 т. н. хромофорную теорию, согласно которой за окраску органических соединений ответственны группы атомов, содержащие кратные связи, например -NN-, -NO. Эти группы были названы хромофорами (от греч. chroma - цвет и phoros -несущий). Р. Ниецкий и английский химик Г. Армстронг отметили (1888) исключительную роль хиноидных хромофоров. Значительное влияние на окраску органических веществ, согласно хромофорной теории, имели группы -ОН, -SH, NH2-, C6H5O- и др., названные ауксохромами (от греч. auxo - увеличиваю). В. А. Измаильский пришёл в 1915 к выводу, что истинное строение красителей описывается не классической структурной формулой, а отвечает некоторому промежуточному состоянию, названному позднее мезомерным. Для этого состояния характерна делокализация связей и зарядов атомов в молекуле (см. Мезомерия ) . Особенно легко такая делокализация происходит в молекулах, содержащих систему сопряжённых связей в сочетании с расположенными на её концах электронодонорными и электроноакцепторными группами (см. Органическая химия , Сопряжение связей ) . Это сочетание, характерное практически для всех типов красителей, обусловливает как лёгкость поляризации молекул (вследствие смещения p-электронов по цепи сопряжения), так и перехода молекул в возбуждённое состояние. Первое определяет интенсивность поглощения света, второе - глубину окраски вещества.
В соответствии с указанными положениями, чем длиннее цепь сопряжения в молекуле вещества, тем глубже его цвет. Так, даже в ряду углеводородов C6H5-(CHCH) n-C6H5 lмакс возрастает от 306 нм (при n 1) до 403 нм (при n 5).
Молекулы соединений, цепь сопряжения которых завершается электронодонорными и электроноакцепторными группами, окрашены глубже. Так, в ряду веществ типа I lмакс меняется от 312 нм ( n 1) до 519 нм ( n 3).
Увеличение поляризуемости концевых групп приводит к дальнейшему углублению окраски; так, для красителей типа II lмакс изменяется от 450 нм ( n 0 )до 760 нм ( n 3).
Анализ структуры заместителей и пространственных факторов позволяет предвидеть их влияние на окраску соединений. Например, нарушение плоскостного строения молекул азокрасителей типа IIa вследствие выведения (CH3)2N-группы из плоскости бензольного кольца объёмным заместителем R сопровождается гипсохромным эффектом: lмакс при переходе от RН к R(CH3)2CH - смещается от 475 нм до 420 нм.
Пространственные затруднения в самой цепи сопряжения значительно изменяют характер поглощения. Так, если поворот одной части молекулы красителя относительно другой происходит по связи, близкой к простой ( а в III), то наблюдается гипсохромный эффект, если поворот происходит по связи более высокого порядка ( б в IV), то наблюдается батохромный эффект. Например, при замене RН на RCH3 в III lмакс меняется от 528 нм до 467 нм, а в IV - от 521 нм до 542 нм.
Цвет красителей весьма чувствителен к введению в полиметиновую цепь полярных заместителей X, Y. Электронодонорные заместители в чётных положениях цепи сопряжения вызывают гипсохромный, электроноакцепторные - батохромный эффект. При введении тех же заместителей в нечётное положение происходит обращение эффекта. Например, для IVa при X Y Н lм акс 558 нм, при Х Н, Y OCH3 lмакс 495 нм; при Х OCH3, Y H lмакс586 нм. Большое изменение максимума поглощения наблюдается при образовании кольцевой системы.
Например, при переходе от V к VI lмакс меняется от 616 до 955 нм. Максимум поглощения соединений типа VII зависит ещё и от характера заместителя X. Например, при Х HN < , -О- или > СO lмакс становятся равными соответственно 460, 550 и 650 нм.
Сов. химиком А. И. Киприановым в 1964 показано влияние на цветность красителей внутримолекулярного взаимодействия хромофоров. Например, бисцианин VIII характеризуется двумя lмакс (522 и 581 нм ) , сдвигающимися относительно lмакс исходных ('материнских') красителей IX (562 нм ) и Х (558 нм ) соответственно в коротковолновую и длинноволновую части спектра.
Положение Ц. т. о связи окраски вещества с возбуждением электронов приложимо не только к органическим соединениям, содержащим протяжённые системы сопряжённых связей, но и к др. типам окрашенных веществ. Так, для неорганических соединений появление окраски может быть связано с наличием сильно выраженной деформации электронных орбиталей; при этом основную роль играет поляризация анионов, увеличение деформируемости которых должно благоприятствовать возникновению цветности. Окраску некоторых типов неорганических веществ связывают, кроме того, с наличием в их молекулах атомов с вакантными орбиталями. Предполагают, например, что окраска комплексных ионов (см. Комплексные соединения ) обусловлена присутствием в них атомов элементов с незаполненными d- или f -орбиталями. Интенсивное поглощение света такими ионами связано с переносом электронов лигандов на вакантные орбитали центрального атома.
Для расчёта полос поглощения окрашенных химических соединений (исходя из их структурных формул) существуют квантовомеханические методы, которые во многих случаях дают результаты, совпадающие с экспериментом. Расчёты полос поглощения красителей, молекулы которых имеют сложное (особенно несимметричное) строение, пока трудно осуществимы.
Лит.: Бальхаузен К., Введение в теорию поля лигандов, пер. с англ., М., 1964; Дядюша Г. Г., Электронные спектры и строение симметричных органических соединений, 'Украинский химический журнал', 1964, т. 30, | 9; его же, Влияние замыкания хромофора в симметричный цикл, там же, | 11; Chemical applications of spectroscopy, ed. W. West, N. Y., 1968; Теренин А. Н., Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений, Л., 1967; Венкатараман К., Химия синтетических красителей, пер. с англ., т 1-3 Л., 1956-74; Штерн Э., Тиммонс К., Электронная абсорбционная спектроскопия в органической химии, пер. с англ., М., 1974; Киприанов А. И., Введение в электронную теорию органических соединений, 2 изд., К., 1975.
Г. Г. Дядюша.