Хромофора является частью молекулы , ответственной за ее цвет . [2] Цвет, который видят наши глаза, не поглощается отражающим объектом в пределах определенного спектра длин волн видимого света . Хромофор - это область в молекуле, где разность энергий между двумя отдельными молекулярными орбиталями попадает в диапазон видимого спектра. Таким образом, видимый свет, попадающий на хромофор, может быть поглощен путем возбуждения электрона из его основного состояния в возбужденное состояние.. В биологических молекулах, которые служат для захвата или обнаружения световой энергии, хромофор - это фрагмент, который вызывает конформационное изменение молекулы при попадании света.
Хромофоры с конъюгированной системой пи-связей
Подобно тому, как две соседние p-орбитали в молекуле образуют пи-связь , три или более соседних p-орбитали в молекуле могут образовывать сопряженную пи-систему . В сопряженной пи-системе электроны могут захватывать определенные фотоны, поскольку электроны резонируют на определенном расстоянии p-орбиталей - аналогично тому, как радиоантенна обнаруживает фотоны по всей своей длине. Как правило, чем более сопряжена (длиннее) пи-система, тем больше длина волны фотона может быть захвачена. Другими словами, с каждой добавленной смежной двойной связью, которую мы видим на диаграмме молекулы, мы можем предсказать, что система будет с большей вероятностью казаться желтой для наших глаз, поскольку она с меньшей вероятностью будет поглощать желтый свет и с большей вероятностью будет поглощать красный свет. («Конъюгированные системы из менее чем восьми конъюгированных двойных связей поглощают только в ультрафиолетовой области и бесцветны для человеческого глаза», «Соединения синего или зеленого цвета обычно не зависят только от конъюгированных двойных связей») [4].
В сопряженных хромофорах электроны прыгают между энергетическими уровнями, которые представляют собой протяженные пи-орбитали , созданные серией чередующихся одинарных и двойных связей , часто в ароматических системах. Общие примеры включают сетчатку (используется в глазах для обнаружения света), различные пищевые красители , красители для тканей ( азосоединения ), индикаторы pH , ликопин , β-каротин и антоцианы . Различные факторы в структуре хромофора определяют, в какой области длин волн в спектре хромофор будет поглощать. Удлинение или удлинение сопряженной системы с большим количеством ненасыщенных (кратных) связей в молекуле будет иметь тенденцию сдвигать поглощение в сторону более длинных волн. Правила Вудворда-Физера могут использоваться для аппроксимации видимой в ультрафиолетовой области длины волны максимума поглощения в органических соединениях с сопряженными системами пи-связей.
Некоторые из них представляют собой хромофоры, представляющие собой комплекс металлов, которые содержат металл в координационном комплексе с лигандами. Примерами являются хлорофилл , который используется растениями для фотосинтеза, и гемоглобин , переносчик кислорода в крови позвоночных животных. В этих двух примерах металл образует комплекс в центре кольца тетрапиррольного макроцикла : металл представляет собой железо в гемовой группе (железо в порфириновом кольце) гемоглобина или магний в комплексе с кольцом типа хлорина в случае хлорофилла. . Сильно сопряженная пи-связующая система кольца макроцикла поглощает видимый свет. Природа центрального металла также может влиять на спектр поглощения комплекса металл-макроцикл или на такие свойства, как время жизни в возбужденном состоянии. [5] [6] [7] Тетрапиррольный фрагмент в органических соединениях, который не является макроциклическим, но все же имеет сопряженную систему пи-связей, все еще действует как хромофор. Примеры таких соединений включают билирубин и уробилин , которые имеют желтый цвет.
Ауксохром
Auxochrome представляет собой функциональная группа атомов , присоединенных к хромофору , который изменяет способность хромофора поглощать свет, изменяя длину волны или интенсивность поглощения.
Галохромизм
Галохромизм возникает, когда вещество меняет цвет при изменении pH . Это свойство индикаторов pH , молекулярная структура которых изменяется при определенных изменениях pH окружающей среды. Это изменение структуры влияет на хромофор в молекуле индикатора pH. Например, фенолфталеин является индикатором pH, структура которого изменяется при изменении pH, как показано в следующей таблице:
Состав | ||
---|---|---|
pH | 0-8,2 | 8,2–12 |
Условия | кислый или почти нейтральный | базовый |
Название цвета | бесцветный | от розового до фуксии |
Цвет |
В диапазоне pH примерно 0-8 молекула имеет три ароматических кольца, все связанные с тетраэдрическим sp 3 -гибридизированным атомом углерода в середине, который не делает π-связи в ароматических кольцах сопряженными. Из-за своей ограниченной протяженности ароматические кольца поглощают свет только в ультрафиолетовой области, поэтому соединение кажется бесцветным в диапазоне pH 0-8. Однако, когда pH увеличивается выше 8,2, этот центральный углерод становится частью двойной связи, становясь sp 2 гибридизованным и оставляя апорбиталь, чтобы перекрываться с π-связью в кольцах. Это заставляет три кольца соединяться вместе, образуя удлиненный хромофор, поглощающий более длинноволновый видимый свет, чтобы показать цвет фуксии. [8] При pH за пределами 0–12 другие изменения молекулярной структуры приводят к другим изменениям цвета; см. подробности о фенолфталеине .
Общие длины волн поглощения хромофора
Функциональная группа или соединение | Длина волны поглощения |
---|---|
Бромфеноловый синий (желтая форма) | 591 нм [9] |
Смотрите также
- Визуальная фототрансдукция
- Правила Вудворда
- Хроматофор
- Пигмент
- Фотофор , железистый орган
- Флуорофор
- Лакмус
- Биологический пигмент
- Спектроскопия
Рекомендации
- ^ Kräutler, Бернхард (26 февраля 2016). «Распад хлорофилла в высших растениях - филлобилины как обильные, но едва заметные признаки созревания, старения и гибели клеток» . Энгью. Chem. Int. Эд . 4882 (55): 4882–4907. DOI : 10.1002 / anie.201508928 . PMC 4950323 . PMID 26919572 .
- ^ Хромофор Золотой книги ИЮПАК
- ^ Виртанен, Олли; Константиниду, Эмануэлла; Tyystjärvi, Esa (2020). «Хлорофилл не отражает зеленый свет - как исправить заблуждение» . Журнал биологического образования : 1–8. DOI : 10.1080 / 00219266.2020.1858930 .
- ^ Липтон, Марк (31 января 2017 г.). «Глава 1. Электронная структура и химическая связь» . Purdue: Chem 26505: Organic Chemistry I (Lipton) (изд. LibreTexts). Университет Пердью.
- ^ Гоутерман, М. (1978) Оптические спектры и электронная структура порфиринов и родственных колец. В Дельфине, Д. (ред.) Порфирины. Academic Press, Нью-Йорк. Том III, Часть A, стр 1-165
- ^ Шеер, Х. (2006) Обзор хлорофиллов и бактериохлорофиллов: биохимия, биофизика, функции и приложения. Достижения в области фотосинтеза и дыхания, том 25, стр 1-26
- ^ Шепли, П. (2012) Поглощение света органическими молекулами. http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem2/B2/1.html
- ^ УФ-видимые спектры поглощения
- ^ Харрис, К. Дэниэл (2016). Количественный химический анализ (9 изд.). Нью-Йорк: Фриман. п. 437. ISBN. 9781464135385.
Внешние ссылки
- Причины цвета : физические механизмы, с помощью которых возникает цвет.
- Высокоскоростная наноразмерная электроника возможна с хромофорами - Azonano.com